SIMD数据并行（三）——图形处理单元（GPU）

在计算机体系中，数据并行有两种实现路径：MIMD（Multiple Instruction Multiple Data，多指令流多数据流）和SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令流多数据流）。其中MIMD的表现形式主要有多发射、多线程、多核心，在当代设计的以处理能力为目标驱动的处理器中，均能看到它们的身影。同时，随着多媒体、大数据、人工智能等应用的兴起，为处理器赋予SIMD处理能力变得愈发重要，因为这些应用存在大量细粒度、同质、独立的数据操作，而SIMD天生就适合处理这些操作。

SIMD结构有三种变体：向量体系结构、多媒体SIMD指令集扩展和图形处理单元。本文集中围绕图形处理单元（ Graphics Processing Unit, GPU）进行描述。

图形处理单元（GPU）

0. 写在前面

GPU 独立于 CPU 而发展，拥有自己的一套体系结构，并在发展中形成了自己的专门术语。加上不同设计厂商之间使用的术语往往不太一样，容易给 GPU 初学者带来名词分辨上的困扰。

鉴于 NVIDIA GPU 的成功，本文只使用 NVIDIA 官方术语进行表述。我自己在看《计算机体系结构：量化方法研究》这本书时，也存在着不少困惑，有些名词感觉前后表达的意思不容易对上号，甚至多看几遍之后，困惑愈深。不过最终我还是理了一个基本不差的脉络出来，如果有读者发现我表述中差错的地方，敬请指正。

1. 简介

谈到 GPU，人们首先想到的可能是「显卡」，进而想到「英伟达（NVIDIA）」。的确， GPU 的祖先便是图形加速器，用于辅助 CPU 做图形处理的工作，而黄仁勋创办的英伟达正是 GPU 领域的佼佼者，不断引领着 GPU 架构的发展革新。

我们知道，图形显示是由一个个细小的像素组合而成，在计算机的世界中，像素的变化即意味着一组固定宽度比特位所表示的参数的变化。因此，对一副图形进行变换，本质上是对成千上万个像素的参数进行计算的结果，而这其中必然存在大量的数据并行度。

GPU 天生是处理并行问题的好手，在它的体系结构中融合了线程并行、指令并行、SIMD 数据并行的多种并行处理形式，它可以概括为是一个由多个多线程 SIMD 处理器组成的 MIMD 处理器。

GPU 处理数据并行任务能有很好的效能比，但处理控制为主的任务则不够经济，因此 GPU 一直以来是作为 CPU 的外设而存在的。随着异构处理器的兴起，二者常常被集成在同一个处理器芯片中，相辅相成。同时，GPU的计算能力已不局限于图形处理，而是正在被迁移到更多的数据并行计算场景。

2. 架构组成

了解 GPU 比较适合先从一个大的角度看下去，然后往下深入到局部的部件。正所谓「窥一斑而现全身」，从图1可以看到，GPU 几乎是由众多相同的部件复制组合而成。

图1 Fermi GTX 480 GPU 的平面图

从硬件抽象的角度看：

• GPU，与 CPU 经总线连接通信，并通过片外 DRAM 交换数据。GPU 的主体由多个（16/32···）相同的流式多处理器组成。

• 流式多处理器（Streaming Multiproeessor,SM），它是具有独立PC的完整处理器。每个流式多处理器拥有多个（16···）独立 SIMD 线程，称为「warp」。各 warp 不会同时执行，而是依据每个 warp 的忙闲状态进行恰当的调度，这也正是 GPU 设计的基本思想：通过足够多的线程切换来隐藏访问 DRAM 的延迟。

• warp，每个 warp 有自己的 PC，执行 SIMD 指令完成计算和访存。SIMD 指令功能单元含有多个（16/32···）并行的线程处理器（或者说车道）

• 线程处理器，它执行一个 warp 中 SIMD 指令对应的单个元素，可根据谓词寄存器或者遮罩位状态，决定执行或忽略对应元素的操作。同一个 warp 中的多个车道不能同时执行不同指令。

从程序抽象的角度看：

• 网格，在 GPU 上运行，由一个或多个线程块构成的代码。

• 线程块，在流式多处理器上执行的向量化循环，由一个或多个 SIMD指令线程构成。

• CUDA 线程，SIMD 指令线程的垂直抽取，对应于车道所执行的单个元素。

GPU 拥有两层硬件调度程序：

• 线程块调度器（NVIDIA 称 Giga 线程引擎），将线程块指定给流式多处理器，确保线程块被分配给其共享存储器拥有相应数据的流式多处理器。

• warp 调度器，流式多处理器内部的SIMD线程（warp）调度程序，由它来调度应该何时运行哪个warp。一个流式多处理器中可能同时存在两个 warp 调度器。

图2 warp 调度器分配指令给 warp 执行（图中含两个warp 调度器）

从存储器的角度看：

• 全局存储器，由GPU所有流式处理器共享，它是位于流式处理器片外的 DRAM。流式处理器间不能直接进行通信，但可以使用全局存储器中的原子存储操作进行协调。系统处理器（CPU）和 GPU 之间的数据交换也是通过全局存储器。

• 共享存储器，位于流式处理器内部，这一存储器由单个流式处理器内部所有 warp 共享，但无法被其它流式处理器访问。流式处理器内的 warp 可以通过共享存储器进行通信。

• 局部存储器，各 warp 在片外 DRAM 获得的一个专用部分，它不能在同一流式处理器的各 warp 间共享。局部存储器用于栈帧、溢出寄存器和不能放在寄存器中的私有变量。

• 寄存器，大量存在于 GPU中。由于每一个 warp 都是一个独立的线程，因此各 warp 都分配有独立的向量寄存器组，寄存器组中的每一个向量寄存器有N个元素（16/32···），N 为 GPU 的向量长度。

• 缓存，在 GPU 中的容量不如 CPU，因为 GPU 不依赖大型缓存来包含应用程序的整个工作集，而是使用较少的流式缓存，依靠大量的线程来隐藏访问 DRAM 的长延迟。CPU 中用来放置cache的芯片面积在 GPU 中替换为计算资源和大量的寄存器，用来执行大量的 SIMD 线程。GPU 中的缓存要么被看作带宽滤选器，以减少对全局存储器的要求，要么被看作有限几种变量的加速器，这些变量的修改不能通过多线程来隐藏。

图3 GPU 存储访问关系

图4 显示了以上软硬件之间的层级对应关系：

图4 GPU 软硬件间的层级对应关系

3. GPU的条件分支

相比于向量体系结构，GPU提供了更多的硬件机制来实现 warp 中的分支处理。GPU 用于处理分支的硬件有：谓词寄存器、分支同步栈、指令标记、内部遮罩。

当条件分支较简单时，编译器将代码编译成仅使用谓词寄存器的条件执行指令。谓词被设置为1的车道将执行操作并存储指令；其它车道将不执行和存储结果。

当面对更复杂的控制流时，编译器将混合使用谓词寄存器和 GPU 分支指令。特殊的指令和标记将用于这些分支指令，在执行到这些分支指令时，先向分支同步栈中压入一个栈项（主要为遮罩），随后联合谓词寄存器的内容更新遮罩，在跳转的目标分支中通过遮罩来决定对应车道是否执行操作和存储；当分支结束，则弹出并恢复栈项。整个过程类似于函数调用过程中的现场保存和恢复机制，因此可实现多层分支的嵌套。

由于同一 warp 内的不同车道不能同时执行不同指令，使得 GPU 必须计算所有的分支，而各分支执行过程中必然存在部分车道执行、其它车道空闲的情况。这带来了 GPU 工作效率的下降。比如，对于相同长度的路径，if-then-else的工作效率为50%；对于嵌套的分支语句，这一效率将进一步降低。幸运的是， GPU 可以在运行时，在遮罩位为全0或全1时，略过 then 或 else 部分。

编程利器——CUDA

当  GPU 的计算潜力与一种简化 GPU 编程的编程语言相结合，使人们对 GPU 计算的兴趣大增。

编写并行程序天生要比编写顺序程序复杂得多，因为编译器只能自动并行化一些简单的并行情况，大部分时候都需要编程者自己给出并行化的信息，并进行合理的调度，以使得并行化的效能最大化。

CUDA （Compute Unified Device Architecture，计算统一设备体系结构）就是 NVIDIA 开发的一种与 C 类似的语言和编程环境，通过克服异质计算 及多种并行带来的双重挑战来提高 GPU 程序员的生产效率。

CUDA 并不只为 GPU 编程，而是把 CPU 和 GPU 当作一个整体来编程。CUDA 为系统处理器（主机）生成 C/C++，为 GPU（设备）生成 C/C++ 方言。

CUDA 将 CUDA 线程作为编程原型，表示最低级别的并行。编译器和硬件可以将数以千计的 CUDA 线程聚合在一起，利用 GPU 中的多种并行类型：多线程、MIMD、SIMD、指令并行。

关于 CUDA 语言的具体语法以及编程技巧，是一个比较大的内容，本文只介绍其概念，不做赘述。后期等信号君学习了相关的内容，可以分一个系列再来和大家探讨。

物理指令集抽象——PTX指令集

与大多数系统处理器不同，NVIDIA 编译器的指令集目标是硬件指令集的一种抽象，NVIDIA 称之为 PTX 指令集。

编译器生成的指令与 PTX 指令一一对应，但一个 PTX 指令可以扩展到许多机器指令，反之亦然。PTX 使用虚拟寄存器，而不是实际的物理寄存器。从 PTX 指令集到 GPU 物理指令集的这一层抽象解释由优化程序实现。优化程序在 warp 之间划分可用的寄存器，它还会清除死亡代码，将指令打包在一起，并计算分支发生发散的位置和发散路径可能会聚的位置。

之所以要使用 PTX 指令集，而不是直接使用物理指令集，是为了解决软硬件工程中挥之不去的兼容性问题。PTX 的存在为编译器提供了一种稳定的指令集，可以实现各代GPU 之间的兼容性。不同的 GPU 只需要适配相应的优化程序即可实现代码兼容，这就给了 GPU 硬件非常大的变化空间。

PTX 抽象指令集的这一思想可以类比于 x86微体系结构。众所周知，Intel 为了实现当代内核指令对以往版本内核代码的兼容，在硬件上做了一个解释层，将复杂指令翻译成一组微指令，然后再进行真正的指令译码操作。它们的区别在于：x86 的这一转换是在运行时以硬件方式实现，而 PTX 指令转换为物理指令是在载入时以软件实现的。

延迟优化 & 吞吐量优化

在研究计算机体系结构时，延迟和吞吐量是经常会被提及的两个指标。「延迟」表示从发出一条指令/请求，到得到结果所经历的时间；「吞吐量」表示单位时间内，完成的指令/请求数。

绝大部分的CPU 为了通用和低延迟做了更多优化，我们称之为基于延迟优化的处理器。GPU为了高并发、高流水牺牲了通用性和延迟，我们称之为基于吞吐量优化的处理器。

GPU 依赖于流式多处理器中的硬件多线程以隐藏访存延时，但这并不意味着延迟不存在。例如，流式多处理器中的某个 warp 发起外部 DRAM 访问，由于没有缓存支持，这一访问结果可能需要几十个 cycle 后才能有效，于是该 warp 只能选择等待，但在它等待的间隙，warp 调度器将执行处理器内的其它线程。尽管单个线程的访存发生大量的延迟，但从流式多处理器整体而言，它的吞吐量还是很大。

基于延迟还是吞吐量来优化计算机系统并没有一个绝对的优劣标准，而是从计算机系统的应用场景出发来考量。拿 GPU 的主要工作图形处理来讲，一般的图形都是以几十帧每秒的速率切换，因此 GPU 只需要以 ms 级的速率完成一幅图像内容的处理即可满足要求，这时候单个线程的延迟就显得无关紧要了。

有一点值得注意的是：低延迟不意味着低吞吐量；高吞吐量也不意味着高延迟。延迟与吞吐量之间也没有绝对的限制关系。一个计算机系统它可以是低延迟的同时，具备高的吞储量。

参考资料

【1】John L. Hennessy，David A. Patterson . 计算机体系结构：量化研究方法：第5版[M].北京:人民邮电出版社,2013. （原名《Computer Architecture:A Quantitative Approach》）

【2】David A. Patterson，John L. Hennessy . 计算机组成与设计：硬件/软件接口：第5版[M].北京:机械工业出版社,2015. （原名《Computer Organization and Design:The Hardware/Software Interface》）

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