图形处理单元GPU的特点和编程模式

GPU和中央处理单元（CPU）是完全不同的计算架构。前者最初是旨在加速视频数据处理。近年来，GPU已成为专门为并行计算设计的硬件组件。让我们用一个例子来说明这一点。假设我们希望在书中查找一个特定的单词。如果任务交给了CPU，它会从第一页到最后一页完整地阅读这本书，以查找单词，因为CPU是串行处理器，并按顺序进行搜索。然而，如果我们使用GPU，它是一个并行处理器，它将书分成大量部分，并同时读取所有部分。即使每个部分的读取速度都比CPU慢，整本书的读取时间也要短得多。将图形处理器用于非图形目的称为图形处理单元（GPGPU）上的通用计算。

最好的处理器之一Intel Core IV由八个内核组成，其中四个是通过超线程技术模拟的虚拟内核，用于改进计算的并行化。对于物理上存在的每个进程核，操作系统寻址两个虚拟处理器，然后尽可能在它们之间共享工作负载。同时，廉价的图形卡呈现了一种由10倍的核心IV组成的结构。例如，在Nvidia GTX 295中，480个线程或处理器被组合。如此大量的处理器赋予GPU巨大的并行计算能力。GPU在快速傅立叶变换计算（Moreland and Angel，2003）、信号处理（Fung and Mann，2004）、数字图像处理（Jeong等人，2011）、分子计算（蒙特卡洛和分子动力学模拟）（Ivan等人，2008；Alerstam等人，2008）等方面也有广泛的应用。Nvidia的王牌是CUDA，是一种并行计算体系结构，可通过多种编程语言供用户使用。换句话说，CUDA提供了使用GPU进行计算编程的机会。

GeForce：这是Nvidia设计的一系列GPU，用于本研究。GPU架构由芯片上的多个流处理器组成；参见图1（a）。它们被分组在分层组织的多处理器集群中；参见图1（b）。设备和主机分别是GPU和CPU。换句话说，大多数计算和数据都被卸载到设备（GPU）上，每个设备都有自己的随机存取存储器（RAM）。CPU和GPU的RAM分别称为动态RAM和设备存储器。每个多处理器都有一个可从其每个处理器访问的共享内存。此外，每个多处理器都有一个更大的内存空间，称为全局内存；参见图1（c）。全局存储器是主机和设备之间传输读/写或R/W信息的主要工具。通常，本地内存有一个小而快的空间，用于从全局内存调用数据，而线程存储在它们的本地寄存器中。根据图1（c），线程可以访问本地和全局存储器。此外，一些缓存被设置为加速对其存储器的访问。常量由主机初始化，并且对所有线程都可见。

 

 

 

 

图1.CUDA编程模型。（a） 调用执行模型，显示全局GPU结构，通过该结构，它能够并行化命令（SP对于流处理器是即时的）；（b） 具有全局、常量和纹理内存不同部分的CUDA设备内存分配的详细图像，以及（c）线程和块分配的示意图，该示意图将内核描述为不同块和网格中的线程集合（具有修改，采用自Nvidia，2008）。

 名为kernel的操作用于以并行模式执行应用程序的各个部分，可以在不同的数据集上独立执行多次。因此，它相当于从主机调用并在设备上运行的函数。线程块是通过本地内存共享数据并同步执行工作的线程的集合。但是，不同块中的线程不能一起工作。一组块表示网格，如图1（c）所示。在任何时候，内核上的几个线程都会被执行；它们被称为线程块的网格。线程和块具有它们自己的标识，例如块ID，一维或二维，以及线程ID，其为1D、2D或3D，这简化了高速处理的存储器寻址。

应该指出的是，CUDA和CPU的线程之间存在一些差异。例如，CUDA线程非常轻量级，这是由于很少的创建开销和即时切换。CUDA并行使用数千个线程，而可用的CPU只能使用少数线程。该架构如图2所示。CUDA的主要步骤总结如下（见图2）。首先，在主机和设备上分别分配内存。然后，通过使用CUDA应用程序编程接口（API），将来自主机的数据复制到设备中，然后定义线程和块的数量。接下来，在每个线程上，内核函数与其他内核上的函数并行执行。最后，使用CUDA API将设备中的数据复制到主机上。

尽管GPU具有所有优点，但它也有一些局限性。例如，由于在当前可用的GPU中，一个块中的所有线程同时工作，因此让每个线程执行不同的操作是低效的。一旦其中一个完成了工作，我们就向它提供新数据。换句话说，在由多个网格点组成的第一组中，GPU执行并行计算。由于馈入GPU的组没有任何冲突，因此模拟很容易完成。然后，下一组网格点被传输到GPU。使用网格点组的一个优点是避免CPU和GPU之间的数据传输，因为两者之间的数据带宽传输相对较低，这使得在两者之间传输最小数据量至关重要。

 

来源 

[1] Tahmasebi P, Sahimi M, Mariethoz G, 等. Accelerating geostatistical simulations using graphics processing units (GPU)[J]. Computers & Geoscience, Elsevier, 2012.