浅说CPU并行计算与GPU并行计算

最近在学一门课，叫做“C++与并行计算”。要用到多CPU（进程）并行的原理，实现语言是C++的MPI接口。联想到上学期用到CUDA C/C++来做并行计算，就对这两门语言做一个总结，分享下自己关于并行计算的认识。

1 并行计算的基本原理

并行计算一般有两个维度，一个是指令（Instruction）或程序（Program），另一个是数据（Data）。这样，就可以归纳出各种并行模式（S代表Single，M代表Multiple）。

除了SISD，其他几个都算是并行计算方法。这里重点介绍下SPMD。

SPMD是最简单的一种并行计算模式。SP意味着程序员只需写一份代码，MD意味着这些代码对不同的数据应该分别处理。而并行，则要求数据处理的过程要同时进行。通俗的讲，就是一份代码被复制了多份，然后每份代码单独跑一份数据，从而实现并行。这就引出了一个问题：数据是如何存储的？

1.1 数据的存储

数据的存储可以分为两大类：分布式存储和共享内存。

分布式存储意味着不同的进程/指令处理不同的数据，大家互相不干扰。基于多CPU的MPI并行计算接口用的就是这种思想。

共享内存则要求不同的进程/指令可以同时修改同一块数据。这样，进程之间的通信将变得简单。缺点是容易造成数据读写冲突而需要谨慎对待。基于GPU的CUDA C/C++并行计算就用到了这种方法。

2 MPI：多CPU并行计算

鉴于最近几年个人计算机多CPU的兴起，利用多个CPU来处理同一个任务不失为最简单的并行计算方法。其中的代表方法就是MPI。MPI全称是Message Passing Interface，是一个消息传递接口（或约定）。MPI的特点可以用以下几点来概括：

1. MPI属于SPMD框架；

2. 数据是分布式存储的；

3. 把握进程之间消息的传递是写好MPI程序的关键！

最简单的MPI “Hello, World！”程序如下：（存储为hello.c）

#include <stdio.h>
#include <mpi.h> // MPI库
 
 int main(int argc, char *argv[])
 {
     MPI_Init(&argc, &argv);  // 启动MPI并行计算
 
     printf("Hello, World!\n");
 
     MPI_Finalize();  // 结束MPI并行计算

     return(0);
 }

MPI程序的编译不同于一般的C/C++程序，需要用单独的mpi命令编译。对于C MPI程序，编译命令是mpicc；对于C++ MPI程序，编译命令则是mpigxx。例如编译上面的C MPI程序：

$mpicc hello.c -o hello

同样，运行C/C++ MPI程序需要用到mpi的运行命令：mpirun 或 mpiexec。最常用的格式如下：

$mpirun -np 3 hello

-np是可选的参数，表示启动的进程数，默认为1。这里启动了三个进程，从而屏幕上将打印出三行"Hello, World!"。

3 CUDA C/C++：最火的CPU+GPU并行计算语言

GPU并行计算的崛起得益于大数据时代的到来，而传统的多CPU并行计算已经远远不能满足大数据的需求。GPU最大的特点是它拥有超多计算核心，往往成千上万核。而每个核心都可以模拟一个CPU的计算功能，虽然单个GPU核心的计算能力一般低于CPU。

CUDA，全称是Compute Unified Device Architecture，即统一计算架构，是由生产GPU最有名的英伟达公司提出的CPU+GPU混合编程框架。CUDA C/C++语言有如下特点：

1. 也是SPMD框架；

2. 兼有分布式存储和共享内存的优点；

3. 把握GPU的带宽是充分利用GPU计算资源的关键。

一般，经过一定优化的CUDA C/C++程序的计算速度相比于传统的CPU程序的计算速度要快几倍到几十倍。正因为如此，在目前火热的深度学习领域，越来越多的科研工作者和工程师都开始利用GPU和CUDA来并行加速。

4 其他

并行计算，尤其是利用GPU和CUDA来并行加速是很诱人的一门技术。然而，从我个人的经验来讲，写一个并行计算程序比写一个串行程序难多了。难点主要体现在以下几点：

1. 并行程序需要更长的代码，从而增加了工作量；

2. 并行程序的各个进程执行进度不确定，增加了debug的困难。

3. 需要对硬件架构、内存有更高的把握。

不过，考虑到并行计算诱人的前景，这些难点还是值得克服的。至少，对于一个机器学习的科研工作者而言，几十倍的速度将大大的减少用于做实验的时间。所以，何乐而不为呢？

欢迎讨论！

参考：

1. SPMD：http://en.wikipedia.org/wiki/SPMD

2. MPI：https://www.sharcnet.ca/help/index.php/Getting_Started_with_MPI