深入理解CUDA线程层次以及关于设置线程数的思考
来源:互联网 发布:linux定时执行脚本 编辑:程序博客网 时间:2024/05/22 01:55
深入理解CUDA线程层次以及关于设置线程数的思考
2015-09-16 08:45 215人阅读 评论(0)收藏举报
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GPU线程以网格(grid)的方式组织,而每个网格中又包含若干个线程块,在G80/GT200系列中,每一个线程块最多可包含512个线程,Fermi架构中每个线程块支持高达1536个线程。同一线程块中的众多线程拥有相同的指令地址,不仅能够并行执行,而且能够通过共享存储器(Shared memory)和栅栏(barrier)实现块内通信。这样,同一网格内的不同块之间存在不需要通信的粗粒度并行,而一个块内的线程之间又形成了允许通信的细粒度并行。这些就是CUDA的关键特性:线程按照粗粒度的线程块和细粒度的线程两个层次进行组织、在细粒度并行的层次通过共享存储器和栅栏同步实现通信,这就是CUDA的双层线程模型。
在执行时,GPU的任务分配单元(global block scheduler)将网格分配到GPU芯片上。启动CUDA 内核时,需要将网格信息从CPU传输到GPU。任务分配单元根据这些信息将块分配到SM上。任务分配单元使用的是轮询策略:轮询查看SM是否还有足够的资源来执行新的块,如果有则给SM分配一个新的块,如果没有则查看下一个SM。决定能否分配的因素有:每个块使用的共享存储器数量,每个块使用的寄存器数量,以及其它的一些限制条件。任务分配单元在SM的任务分配中保持平衡,但是程序员可以通过更改块内线程数,每个线程使用的寄存器数和共享存储器数来隐式的控制,从而保证SM之间的任务均衡。任务以这种方式划分能够使程序获得了可扩展性:由于每个子问题都能在任意一个SM上运行,CUDA程序在核心数量不同的处理器上都能正常运行,这样就隐藏了硬件差异。
对于程序员来说,他们需要将任务划分为互不相干的粗粒度子问题(最好是易并行计算),再将每个子问题划分为能够使用线程处理的问题。同一线程块中的线程开始于相同的指令地址,理论上能够以不同的分支执行。但实际上,在块内的分支因为SM构架的原因被大大限制了。内核函数实质上是以块为单位执行的。同一线程块中的线程需要SM中的共享存储器共享数据,因此它们必须在同一个SM中发射。线程块中的每一个线程被发射到一个SP上。任务分配单元可以为每个SM分配最多8个块。而SM中的线程调度单元又将分配到的块进行细分,将其中的线程组织成更小的结构,称为线程束(warp)。在CUDA中,warp对程序员来说是透明的,它的大小可能会随着硬件的发展发生变化,在当前版本的CUDA中,每个warp是由32个线程组成的。SM中一条指令的延迟最小为4个指令周期。8个SP采用了发射一次指令,执行4次的流水线结构。所以由32个线程组成的Warp是CUDA程序执行的最小单位,并且同一个warp是严格串行的,因此在warp内是无须同步的。在一个SM中可能同时有来自不同块的warp。当一个块中的warp在进行访存或者同步等高延迟操作时,另一个块可以占用SM中的计算资源。这样,在SM内就实现了简单的乱序执行。不同块之间的执行没有顺序,完全并行。无论是在一次只能处理一个线程块的GPU上,还是在一次能处理数十乃至上百个线程块的GPU上,这一模型都能很好的适用。
在执行时,GPU的任务分配单元(global block scheduler)将网格分配到GPU芯片上。启动CUDA 内核时,需要将网格信息从CPU传输到GPU。任务分配单元根据这些信息将块分配到SM上。任务分配单元使用的是轮询策略:轮询查看SM是否还有足够的资源来执行新的块,如果有则给SM分配一个新的块,如果没有则查看下一个SM。决定能否分配的因素有:每个块使用的共享存储器数量,每个块使用的寄存器数量,以及其它的一些限制条件。任务分配单元在SM的任务分配中保持平衡,但是程序员可以通过更改块内线程数,每个线程使用的寄存器数和共享存储器数来隐式的控制,从而保证SM之间的任务均衡。任务以这种方式划分能够使程序获得了可扩展性:由于每个子问题都能在任意一个SM上运行,CUDA程序在核心数量不同的处理器上都能正常运行,这样就隐藏了硬件差异。
对于程序员来说,他们需要将任务划分为互不相干的粗粒度子问题(最好是易并行计算),再将每个子问题划分为能够使用线程处理的问题。同一线程块中的线程开始于相同的指令地址,理论上能够以不同的分支执行。但实际上,在块内的分支因为SM构架的原因被大大限制了。内核函数实质上是以块为单位执行的。同一线程块中的线程需要SM中的共享存储器共享数据,因此它们必须在同一个SM中发射。线程块中的每一个线程被发射到一个SP上。任务分配单元可以为每个SM分配最多8个块。而SM中的线程调度单元又将分配到的块进行细分,将其中的线程组织成更小的结构,称为线程束(warp)。在CUDA中,warp对程序员来说是透明的,它的大小可能会随着硬件的发展发生变化,在当前版本的CUDA中,每个warp是由32个线程组成的。SM中一条指令的延迟最小为4个指令周期。8个SP采用了发射一次指令,执行4次的流水线结构。所以由32个线程组成的Warp是CUDA程序执行的最小单位,并且同一个warp是严格串行的,因此在warp内是无须同步的。在一个SM中可能同时有来自不同块的warp。当一个块中的warp在进行访存或者同步等高延迟操作时,另一个块可以占用SM中的计算资源。这样,在SM内就实现了简单的乱序执行。不同块之间的执行没有顺序,完全并行。无论是在一次只能处理一个线程块的GPU上,还是在一次能处理数十乃至上百个线程块的GPU上,这一模型都能很好的适用。
目前,某一时刻只能有一个内核函数正在执行,但是在Fermi架构中,这一限制已被解除。如果在一个内核访问数据时,另一个内核能够进行计算,则可以有效的提高设备的利用率。
每一个块内线程数应该首先是32的倍数,因为这样的话可以适应每一个warp包含32个线程的要求,每一个warp中串行执行,这就要求每一个线程中不可以有过多的循环或者需要的资源过多。但是每一个块中如果线程数过多,可能由于线程中参数过多带来存储器要求过大,从而使SM处理的效率更低。所以,在函数不是很复杂的情况下,可以适当的增加线程数目,线程中不要加入循环。在函数比较复杂的情况下,每一个块中分配32或是64个线程比较合适。每一个SM同时处理一个块,只有在粗粒度层面上以及细粒度层面上均达到平衡,才能使得GPU的利用到达最大。我用的显卡为GeForce GTX560 Ti,每一个网格中允许的最大块数位65535个,而每个块中的线程数为1024个,所以说粗粒度平衡对于我来说影响比较小,就细粒度来说,每一个块中的线程数以及每一个线程中的循环就变得至关重要了。
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