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cuda warp

發布時間：2025/3/15 编程问答 54 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 cuda warp 小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

Warp

邏輯上，所有thread是并行的，但是，從硬件的角度來說，實際上并不是所有的thread能夠在同一時刻執行，接下來我們將解釋有關warp的一些本質。

Warps and Thread Blocks

warp是SM的基本執行單元。一個warp包含32個并行thread，這32個thread執行于SMIT模式。也就是說所有thread執行同一條指令，并且每個thread會使用各自的data執行該指令。

block可以是一維二維或者三維的，但是，從硬件角度看，所有的thread都被組織成一維，每個thread都有個唯一的ID(ID的計算可以在之前的博文查看)。

每個block的warp數量可以由下面的公式計算獲得：

一個warp中的線程必然在同一個block中，如果block所含線程數目不是warp大小的整數倍，那么多出的那些thread所在的warp中，會剩余一些inactive的thread，也就是說，即使湊不夠warp整數倍的thread，硬件也會為warp湊足，只不過那些thread是inactive狀態，需要注意的是，即使這部分thread是inactive的，也會消耗SM資源。

Warp Divergence

控制流語句普遍存在于各種編程語言中，GPU支持傳統的，C-style，顯式控制流結構，例如if…else,for,while等等。

CPU有復雜的硬件設計可以很好的做分支預測，即預測應用程序會走哪個path。如果預測正確，那么CPU只會有很小的消耗。和CPU對比來說，GPU就沒那么復雜的分支預測了（CPU和GPU這方面的差異的原因不是我們關心的，了解就好，我們關心的是由這差異引起的問題）。

這樣我們的問題就來了，因為所有同一個warp中的thread必須執行相同的指令，那么如果這些線程在遇到控制流語句時，如果進入不同的分支，那么同一時刻除了正在執行的分之外，其余分支都被阻塞了，十分影響性能。這類問題就是warp divergence。

請注意，warp divergence問題只會發生在同一個warp中。

下圖展示了warp divergence問題：

為了獲得最好的性能，就需要避免同一個warp存在不同的執行路徑。避免該問題的方法很多，比如這樣一個情形，假設有兩個分支，分支的決定條件是thread的唯一ID的奇偶性：

__global__ void mathKernel1(float *c) {int tid = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;float a, b;a = b = 0.0f;if (tid % 2 == 0) {a = 100.0f;} else {b = 200.0f;}c[tid] = a + b; }

一種方法是，將條件改為以warp大小為步調，然后取奇偶，如下：

__global__ void mathKernel2(void) {int tid = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;float a, b;a = b = 0.0f;if ((tid / warpSize) % 2 == 0) {a = 100.0f;} else {b = 200.0f;}c[tid] = a + b; }

代碼：

View Code

編譯運行：

$ nvcc -O3 -arch=sm_20 simpleDivergence.cu -o simpleDivergence $./simpleDivergence

輸出：

$ ./simpleDivergence using Device 0: Tesla M2070 Data size 64 Execution Configuration (block 64 grid 1) Warmingup elapsed 0.000040 sec mathKernel1 elapsed 0.000016 sec mathKernel2 elapsed 0.000014 sec

我們也可以直接使用nvprof（之后會詳細介紹）這個工具來度量性能：

$ nvprof --metrics branch_efficiency ./simpleDivergence

輸出為：

Kernel: mathKernel1(void) 1 branch_efficiency Branch Efficiency 100.00% 100.00% 100.00% Kernel: mathKernel2(void) 1 branch_efficiency Branch Efficiency 100.00% 100.00% 100.00%

Branch Efficiency的定義如下：

到這里你應該在奇怪為什么二者表現相同呢，實際上當我們的代碼很簡單，可以被預測時，CUDA的編譯器會自動幫助優化我們的代碼。稍微提一下GPU分支預測（理解的有點暈，不過了解下就好），這里，一個被稱為預測變量的東西會被設置成1或者0，所有分支都會得到執行，但是只有預測值為1時，才會得到執行。當條件狀態少于某一個閾值時，編譯器會將一個分支指令替換為預測指令，因此，現在回到自動優化問題，一份較長的代碼就會導致warp divergence了。

可以使用下面的命令強制編譯器不優化（貌似不怎么管用）：

$ nvcc -g -G -arch=sm_20 simpleDivergence.cu -o simpleDivergence

Resource Partitioning

一個warp的context包括以下三部分：

Program counter

Shared memory

再次重申，在同一個執行context中切換是沒有消耗的，因為在整個warp的生命期內，SM處理的每個warp的執行context都是on-chip的。

每個SM有一個32位register集合放在register file中，還有固定數量的shared memory，這些資源都被thread瓜分了，由于資源是有限的，所以，如果thread比較多，那么每個thread占用資源就叫少，thread較少，占用資源就較多，這需要根據自己的要求作出一個平衡。

資源限制了駐留在SM中blcok的數量，不同的device，register和shared memory的數量也不同，就像之前介紹的Fermi和Kepler的差別。如果沒有足夠的資源，kernel的啟動就會失敗。

當一個block或得到足夠的資源時，就成為active block。block中的warp就稱為active warp。active warp又可以被分為下面三類：

Selected warp

Stalled warp

Eligible warp

SM中warp調度器每個cycle會挑選active warp送去執行，一個被選中的warp稱為selected warp，沒被選中，但是已經做好準備被執行的稱為Eligible warp，沒準備好要執行的稱為Stalled warp。warp適合執行需要滿足下面兩個條件：

32個CUDA core有空

所有當前指令的參數都準備就緒

例如，Kepler任何時刻的active warp數目必須少于或等于64個（GPU架構篇有介紹）。selected warp數目必須小于或等于4個（因為scheduler有4個？不確定，至于4個是不是太少則不用擔心，kernel啟動前，會有一個warmup操作，可以使用cudaFree()來實現）。如果一個warp阻塞了，調度器會挑選一個Eligible warp準備去執行。

CUDA編程中應該重視對計算資源的分配：這些資源限制了active warp的數量。因此，我們必須掌握硬件的一些限制，為了最大化GPU利用率，我們必須最大化active warp的數目。

Latency Hiding

指令從開始到結束消耗的clock cycle稱為指令的latency。當每個cycle都有eligible warp被調度時，計算資源就會得到充分利用，基于此，我們就可以將每個指令的latency隱藏于issue其它warp的指令的過程中。

和CPU編程相比，latency hiding對GPU非常重要。CPU cores被設計成可以最小化一到兩個thread的latency，但是GPU的thread數目可不是一個兩個那么簡單。

當涉及到指令latency時，指令可以被區分為下面兩種：

Arithmetic instruction

Memory instruction

顧名思義，Arithmetic? instruction latency是一個算數操作的始末間隔。另一個則是指load或store的始末間隔。二者的latency大約為：

10-20 cycle for arithmetic operations

400-800 cycles for global memory accesses

下圖是一個簡單的執行流程，當warp0阻塞時，執行其他的warp，當warp變為eligible時從新執行。

你可能想要知道怎樣評估active warps 的數量來hide latency。Little’s Law可以提供一個合理的估計：

對于Arithmetic operations來說，并行性可以表達為用來hide ?Arithmetic latency的操作的數目。下表顯示了Fermi和Kepler相關數據，這里是以（a + b * c）作為操作的例子。不同的算數指令，throughput（吞吐）也是不同的。

這里的throughput定義為每個SM每個cycle的操作數目。由于每個warp執行同一種指令，因此每個warp對應32個操作。所以，對于Fermi來說，每個SM需要640/32=20個warp來保持計算資源的充分利用。這也就意味著，arithmetic operations的并行性可以表達為操作的數目或者warp的數目。二者的關系也對應了兩種方式來增加并行性：

Instruction-level Parallelism（ILP）：同一個thread中更多的獨立指令

Thread-level Parallelism （TLP）：更多并發的eligible threads

對于Memory operations，并行性可以表達為每個cycle的byte數目。

因為memory throughput總是以GB/Sec為單位，我們需要先作相應的轉化。可以通過下面的指令來查看device的memory frequency：

$ nvidia-smi -a -q -d CLOCK | fgrep -A 3 "Max Clocks" | fgrep "Memory"

以Fermi為例，其memory frequency可能是1.566GHz，Kepler的是1.6GHz。那么轉化過程為：

乘上這個92可以得到上圖中的74，這里的數字是針對整個device的，而不是每個SM。

有了這些數據，我們可以做一些計算了，以Fermi為例，假設每個thread的任務是將一個float（4 bytes）類型的數據從global memory移至SM用來計算，你應該需要大約18500個thread，也就是579個warp來隱藏所有的memory latency。

Fermi有16個SM，所以每個SM需要579/16=36個warp來隱藏memory latency。

Occupancy

當一個warp阻塞了，SM會執行另一個eligible warp。理想情況是，每時每刻到保證cores被占用。Occupancy就是每個SM的active warp占最大warp數目的比例：

我們可以使用的device篇提到的方法來獲取warp最大數目：

cudaError_t cudaGetDeviceProperties(struct cudaDeviceProp *prop, int device);

然后用maxThreadsPerMultiProcessor來獲取具體數值。

grid和block的配置準則：

保證block中thrad數目是32的倍數。
避免block太小：每個blcok最少128或256個thread。
根據kernel需要的資源調整block。
保證block的數目遠大于SM的數目。
多做實驗來挖掘出最好的配置。

Occupancy專注于每個SM中可以并行的thread或者warp的數目。不管怎樣，Occupancy不是唯一的性能指標，Occupancy達到當某個值是，再做優化就可能不在有效果了，還有許多其它的指標需要調節，我們會在之后的博文繼續探討。

Synchronize

同步是并行編程的一個普遍的問題。在CUDA的世界里，有兩種方式實現同步：

System-level：等待所有host和device的工作完成

Block-level：等待device中block的所有thread執行到某個點

因為CUDA API和host代碼是異步的，cudaDeviceSynchronize可以用來停住CUP等待CUDA中的操作完成：

cudaError_t cudaDeviceSynchronize(void);

因為block中的thread執行順序不定，CUDA提供了一個function來同步block中的thread。

__device__ void __syncthreads(void);

當該函數被調用，block中的每個thread都會等待所有其他thread執行到某個點來實現同步。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的cuda warp的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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