CUDA 并行编程简介

前言

　　并行就是让计算中相同或不同阶段的各个处理同时进行。目前有很多种实现并行的手段，如多核处理器，分布式系统等。本专题的文章将主要介绍使用 GPU 实现并行的方法。参考本专题文章前请务必搭建好 CUDA 开发平台，搭建方法可以参考上一篇文章。

GPU 并行的优缺点

　　优点：

　　　　1. 显存具有更大的内存带宽

　　　　2. GPU 具有更大量的执行单元

　　　　3. 价格低廉

　　缺点：

　　　　1. 对于不能高度并行化的工作，能带来帮助不大。

　　　　2. 对于绝大多数显卡型号，CUDA 仅支持 float 类型而不支持 double 类型运算，因此运算精度不高。

　　　　3. 目前还没有出现通用的 GPU 并行编程标准。

　　　　4. 处理前需要先将数据传输进显存，增加了一些时间开销。

　　　　5. 需要特定显卡型号(英伟达)的支持

　　较之 CPU ，GPU 适合一次性进行大量相同的工作，而 CPU 则比较有弹性，能同时进行变化较多的工作。

CUDA 结构

　　CUDA 是一种底层库，比 C/C++ 等语言以及 Open CV 之类的库更加底层，是附加在操作系统和这类程序之间的一层：

　　

CUDA 程序架构

　　CUDA 架构下，程序分成两个部分：host 端和 device 端，前者在 CPU 部分执行，后者是在 GPU 部分执行。

　　具体的 CUDA 程序执行过程如下：

　　　　1. host 端程序先将待处理数据传递进显存

　　　　2. GPU 执行 device 端程序

　　　　3. host 端程序将结果从显存取回

　　如下图所示：

　　

CUDA thread 架构

　　thread 架构分成三个等级：

　　1. 执行的最小单元是 thread

　　2. 多个 thread 可以组成一个 block，block 中的 thread 可并行执行且可存取同一块共享的显存。但要注意的是每个 block 中的 thread 是有数量限制的。

　　3. 多个 block 可以组成一个 grid，但 grid 中的 block 无法共享显存( 只能共享些别的信息 )，因此可合作度并不高。

　　如下图所示：

　　

CUDA 程序执行模式

　　1. CUDA 程序利用并行化来替代内存 cache，即一个 thread 需要等待内存则 GPU 会切换到另一个 thread 执行。

　　2. CUDA 程序对于 "分支预处理" 的实现也是采用和 1 类似的方式