Windows cuda что это

From Wikipedia, the free encyclopedia

CUDA

In computing, CUDA (Compute Unified Device Architecture) is a proprietary^[2] parallel computing platform and application programming interface (API) that allows software to use certain types of graphics processing units (GPUs) for accelerated general-purpose processing, an approach called general-purpose computing on GPUs. CUDA was created by Nvidia in 2006.^[3] When it was first introduced, the name was an acronym for Compute Unified Device Architecture,^[4] but Nvidia later dropped the common use of the acronym and now rarely expands it.^[5]

CUDA is a software layer that gives direct access to the GPU’s virtual instruction set and parallel computational elements for the execution of compute kernels.^[6] In addition to drivers and runtime kernels, the CUDA platform includes compilers, libraries and developer tools to help programmers accelerate their applications.

CUDA is designed to work with programming languages such as C, C++, Fortran, Python and Julia. This accessibility makes it easier for specialists in parallel programming to use GPU resources, in contrast to prior APIs like Direct3D and OpenGL, which require advanced skills in graphics programming.^[7] CUDA-powered GPUs also support programming frameworks such as OpenMP, OpenACC and OpenCL.^[8][6]

The graphics processing unit (GPU), as a specialized computer processor, addresses the demands of real-time high-resolution 3D graphics compute-intensive tasks. By 2012, GPUs had evolved into highly parallel multi-core systems allowing efficient manipulation of large blocks of data. This design is more effective than general-purpose central processing unit (CPUs) for algorithms in situations where processing large blocks of data is done in parallel, such as:

• cryptographic hash functions
• machine learning
• molecular dynamics simulations
• physics engines

Ian Buck, while at Stanford in 2000, created an 8K gaming rig using 32 GeForce cards, then obtained a DARPA grant to perform general purpose parallel programming on GPUs. He then joined Nvidia, where since 2004 he has been overseeing CUDA development. In pushing for CUDA, Jensen Huang aimed for the Nvidia GPUs to become a general hardware for scientific computing. CUDA was released in 2007. Around 2015, the focus of CUDA changed to neural networks.^[9]

The following table offers a non-exact description for the ontology of CUDA framework.

The ontology of CUDA framework

The CUDA platform is accessible to software developers through CUDA-accelerated libraries, compiler directives such as OpenACC, and extensions to industry-standard programming languages including C, C++, Fortran and Python. C/C++ programmers can use ‘CUDA C/C++’, compiled to PTX with nvcc, Nvidia’s LLVM-based C/C++ compiler, or by clang itself.^[10] Fortran programmers can use ‘CUDA Fortran’, compiled with the PGI CUDA Fortran compiler from The Portland Group.^{[needs update]} Python programmers can use the cuNumeric library to accelerate applications on Nvidia GPUs.

In addition to libraries, compiler directives, CUDA C/C++ and CUDA Fortran, the CUDA platform supports other computational interfaces, including the Khronos Group’s OpenCL,^[11] Microsoft’s DirectCompute, OpenGL Compute Shader and C++ AMP.^[12] Third party wrappers are also available for Python, Perl, Fortran, Java, Ruby, Lua, Common Lisp, Haskell, R, MATLAB, IDL, Julia, and native support in Mathematica.

In the computer game industry, GPUs are used for graphics rendering, and for game physics calculations (physical effects such as debris, smoke, fire, fluids); examples include PhysX and Bullet. CUDA has also been used to accelerate non-graphical applications in computational biology, cryptography and other fields by an order of magnitude or more.^{[13][14][15][16][17]}

CUDA provides both a low level API (CUDA Driver API, non single-source) and a higher level API (CUDA Runtime API, single-source). The initial CUDA SDK was made public on 15 February 2007, for Microsoft Windows and Linux. Mac OS X support was later added in version 2.0,^[18] which supersedes the beta released February 14, 2008.^[19] CUDA works with all Nvidia GPUs from the G8x series onwards, including GeForce, Quadro and the Tesla line. CUDA is compatible with most standard operating systems.

CUDA 8.0 comes with the following libraries (for compilation & runtime, in alphabetical order):

• cuBLAS – CUDA Basic Linear Algebra Subroutines library
• CUDART – CUDA Runtime library
• cuFFT – CUDA Fast Fourier Transform library
• cuRAND – CUDA Random Number Generation library
• cuSOLVER – CUDA based collection of dense and sparse direct solvers
• cuSPARSE – CUDA Sparse Matrix library
• NPP – NVIDIA Performance Primitives library
• nvGRAPH – NVIDIA Graph Analytics library
• NVML – NVIDIA Management Library
• NVRTC – NVIDIA Runtime Compilation library for CUDA C++

CUDA 8.0 comes with these other software components:

• nView – NVIDIA nView Desktop Management Software
• NVWMI – NVIDIA Enterprise Management Toolkit
• GameWorks PhysX – is a multi-platform game physics engine

CUDA 9.0–9.2 comes with these other components:

• CUTLASS 1.0 – custom linear algebra algorithms,
• NVIDIA Video Decoder was deprecated in CUDA 9.2; it is now available in NVIDIA Video Codec SDK

CUDA 10 comes with these other components:

• nvJPEG – Hybrid (CPU and GPU) JPEG processing

CUDA 11.0–11.8 comes with these other components:^{[20][21][22][23]}

• CUB is new one of more supported C++ libraries
• MIG multi instance GPU support
• nvJPEG2000 – JPEG 2000 encoder and decoder

CUDA has several advantages over traditional general-purpose computation on GPUs (GPGPU) using graphics APIs:

• Scattered reads – code can read from arbitrary addresses in memory.
• Unified virtual memory (CUDA 4.0 and above)
• Unified memory (CUDA 6.0 and above)
• Shared memory – CUDA exposes a fast shared memory region that can be shared among threads. This can be used as a user-managed cache, enabling higher bandwidth than is possible using texture lookups.^[24]
• Faster downloads and readbacks to and from the GPU
• Full support for integer and bitwise operations, including integer texture lookups

• Whether for the host computer or the GPU device, all CUDA source code is now processed according to C++ syntax rules.^[25] This was not always the case. Earlier versions of CUDA were based on C syntax rules.^[26] As with the more general case of compiling C code with a C++ compiler, it is therefore possible that old C-style CUDA source code will either fail to compile or will not behave as originally intended.
• Interoperability with rendering languages such as OpenGL is one-way, with OpenGL having access to registered CUDA memory but CUDA not having access to OpenGL memory.
• Copying between host and device memory may incur a performance hit due to system bus bandwidth and latency (this can be partly alleviated with asynchronous memory transfers, handled by the GPU’s DMA engine).
• Threads should be running in groups of at least 32 for best performance, with total number of threads numbering in the thousands. Branches in the program code do not affect performance significantly, provided that each of 32 threads takes the same execution path; the SIMD execution model becomes a significant limitation for any inherently divergent task (e.g. traversing a space partitioning data structure during ray tracing).
• No emulation or fallback functionality is available for modern revisions.
• Valid C++ may sometimes be flagged and prevent compilation due to the way the compiler approaches optimization for target GPU device limitations.^{[citation needed]}
• C++ run-time type information (RTTI) and C++-style exception handling are only supported in host code, not in device code.
• In single-precision on first generation CUDA compute capability 1.x devices, denormal numbers are unsupported and are instead flushed to zero, and the precision of both the division and square root operations are slightly lower than IEEE 754-compliant single precision math. Devices that support compute capability 2.0 and above support denormal numbers, and the division and square root operations are IEEE 754 compliant by default. However, users can obtain the prior faster gaming-grade math of compute capability 1.x devices if desired by setting compiler flags to disable accurate divisions and accurate square roots, and enable flushing denormal numbers to zero.^[27]
• Unlike OpenCL, CUDA-enabled GPUs are only available from Nvidia as it is proprietary.^[28][2] Attempts to implement CUDA on other GPUs include:
  • Project Coriander: Converts CUDA C++11 source to OpenCL 1.2 C. A fork of CUDA-on-CL intended to run TensorFlow.^[29][30][31]
  • CU2CL: Convert CUDA 3.2 C++ to OpenCL C.^[32]
  • GPUOpen HIP: A thin abstraction layer on top of CUDA and ROCm intended for AMD and Nvidia GPUs. Has a conversion tool for importing CUDA C++ source. Supports CUDA 4.0 plus C++11 and float16.
  • ZLUDA is a drop-in replacement for CUDA on AMD GPUs and formerly Intel GPUs with near-native performance.^[33] The developer, Andrzej Janik, was separately contracted by both Intel and AMD to develop the software in 2021 and 2022, respectively. However, neither company decided to release it officially due to the lack of a business use case. AMD’s contract included a clause that allowed Janik to release his code for AMD independently, allowing him to release the new version that only supports AMD GPUs.^[34]
  • chipStar can compile and run CUDA/HIP programs on advanced OpenCL 3.0 or Level Zero platforms.^[35]

This example code in C++ loads a texture from an image into an array on the GPU:

texture<float, 2, cudaReadModeElementType> tex;

void foo()
{
  cudaArray* cu_array;

  // Allocate array
  cudaChannelFormatDesc description = cudaCreateChannelDesc<float>();
  cudaMallocArray(&cu_array, &description, width, height);

  // Copy image data to array
  cudaMemcpyToArray(cu_array, image, width*height*sizeof(float), cudaMemcpyHostToDevice);

  // Set texture parameters (default)
  tex.addressMode[0] = cudaAddressModeClamp;
  tex.addressMode[1] = cudaAddressModeClamp;
  tex.filterMode = cudaFilterModePoint;
  tex.normalized = false; // do not normalize coordinates

  // Bind the array to the texture
  cudaBindTextureToArray(tex, cu_array);

  // Run kernel
  dim3 blockDim(16, 16, 1);
  dim3 gridDim((width + blockDim.x - 1)/ blockDim.x, (height + blockDim.y - 1) / blockDim.y, 1);
  kernel<<< gridDim, blockDim, 0 >>>(d_data, height, width);

  // Unbind the array from the texture
  cudaUnbindTexture(tex);
} //end foo()

__global__ void kernel(float* odata, int height, int width)
{
   unsigned int x = blockIdx.x*blockDim.x + threadIdx.x;
   unsigned int y = blockIdx.y*blockDim.y + threadIdx.y;
   if (x < width && y < height) {
      float c = tex2D(tex, x, y);
      odata[y*width+x] = c;
   }
}

Below is an example given in Python that computes the product of two arrays on the GPU. The unofficial Python language bindings can be obtained from PyCUDA.^[36]

import pycuda.compiler as comp
import pycuda.driver as drv
import numpy
import pycuda.autoinit

mod = comp.SourceModule(
    """
__global__ void multiply_them(float *dest, float *a, float *b)
{
  const int i = threadIdx.x;
  dest[i] = a[i] * b[i];
}
"""
)

multiply_them = mod.get_function("multiply_them")

a = numpy.random.randn(400).astype(numpy.float32)
b = numpy.random.randn(400).astype(numpy.float32)

dest = numpy.zeros_like(a)
multiply_them(drv.Out(dest), drv.In(a), drv.In(b), block=(400, 1, 1))

print(dest - a * b)

Additional Python bindings to simplify matrix multiplication operations can be found in the program pycublas.^[37]

 
import numpy
from pycublas import CUBLASMatrix

A = CUBLASMatrix(numpy.mat([[1, 2, 3], [4, 5, 6]], numpy.float32))
B = CUBLASMatrix(numpy.mat([[2, 3], [4, 5], [6, 7]], numpy.float32))
C = A * B
print(C.np_mat())

while CuPy directly replaces NumPy:^[38]

import cupy

a = cupy.random.randn(400)
b = cupy.random.randn(400)

dest = cupy.zeros_like(a)

print(dest - a * b)

Supported CUDA compute capability versions for CUDA SDK version and microarchitecture (by code name):

Note: CUDA SDK 10.2 is the last official release for macOS, as support will not be available for macOS in newer releases.

CUDA compute capability by version with associated GPU semiconductors and GPU card models (separated by their various application areas):

* – OEM-only products

^[58]

Note: Any missing lines or empty entries do reflect some lack of information on that exact item.^[59]

Note: Any missing lines or empty entries do reflect some lack of information on that exact item.^{[63][64]
[65]
[66]
[67]
[68]}

^{[76][77][78][79]}

For more information read the Nvidia CUDA C++ Programming Guide.^[115]

• Accelerated rendering of 3D graphics
• Accelerated interconversion of video file formats
• Accelerated encryption, decryption and compression
• Bioinformatics, e.g. NGS DNA sequencing BarraCUDA^[116]
• Distributed calculations, such as predicting the native conformation of proteins
• Medical analysis simulations, for example virtual reality based on CT and MRI scan images
• Physical simulations,^[117] in particular in fluid dynamics
• Neural network training in machine learning problems
• Large Language Model inference
• Face recognition
• Volunteer computing projects, such as SETI@home and other projects using BOINC software
• Molecular dynamics
• Mining cryptocurrencies
• Structure from motion (SfM) software

CUDA competes with other GPU computing stacks: Intel OneAPI and AMD ROCm.

Whereas Nvidia’s CUDA is closed-source, Intel’s OneAPI and AMD’s ROCm are open source.

oneAPI is an initiative based in open standards, created to support software development for multiple hardware architectures.^[118] The oneAPI libraries must implement open specifications that are discussed publicly by the Special Interest Groups, offering the possibility for any developer or organization to implement their own versions of oneAPI libraries.^[119][120]

Originally made by Intel, other hardware adopters include Fujitsu and Huawei.

Unified Acceleration Foundation (UXL) is a new technology consortium working on the continuation of the OneAPI initiative, with the goal to create a new open standard accelerator software ecosystem, related open standards and specification projects through Working Groups and Special Interest Groups (SIGs). The goal is to offer open alternatives to Nvidia’s CUDA. The main companies behind it are Intel, Google, ARM, Qualcomm, Samsung, Imagination, and VMware.^[121]

Main article: ROCm

ROCm^[122] is an open source software stack for graphics processing unit (GPU) programming from Advanced Micro Devices (AMD).

• SYCL – an open standard from Khronos Group for programming a variety of platforms, including GPUs, with single-source modern C++, similar to higher-level CUDA Runtime API (single-source)
• BrookGPU – the Stanford University graphics group’s compiler
• Array programming
• Parallel computing
• Stream processing
• rCUDA – an API for computing on remote computers
• Molecular modeling on GPUs
• Vulkan – low-level, high-performance 3D graphics and computing API
• OptiX – ray tracing API by NVIDIA
• CUDA binary (cubin) – a type of fat binary
• Numerical Library Collection – by NEC for their vector processor

• Buck, Ian; Foley, Tim; Horn, Daniel; Sugerman, Jeremy; Fatahalian, Kayvon; Houston, Mike; Hanrahan, Pat (2004-08-01). «Brook for GPUs: stream computing on graphics hardware». ACM Transactions on Graphics. 23 (3): 777–786. doi:10.1145/1015706.1015800. ISSN 0730-0301.
• Nickolls, John; Buck, Ian; Garland, Michael; Skadron, Kevin (2008-03-01). «Scalable Parallel Programming with CUDA: Is CUDA the parallel programming model that application developers have been waiting for?». Queue. 6 (2): 40–53. doi:10.1145/1365490.1365500. ISSN 1542-7730.

• Official website

What is CUDA?

The need for enhanced computation power is increasing day by day. Manufacturers across the globe are now facing challenges to further improve CPUs due to limitations i.e. size, temperature, etc. In such a situation, solution providers have started to look for performance enhancement elsewhere. One of the solutions that allow a drastic increase in performance is the use of GPUs for parallel computing. The number of cores in a GPU is far more than that of a CPU. A CPU is designed to perform tasks sequentially, a set of tasks can be offloaded on the GPU which allows parallelization.

Compute Unified Architecture (CUDA) is a platform for general-purpose processing on Nvidia’s GPUs. Tasks that don’t require sequential execution can be run in parallel with other tasks on GPU using CUDA. With language support of C, C++, and Fortran, it is extremely easy to offload computation-intensive tasks to Nvidia’s GPU using CUDA. CUDA is being used in domains that require a lot of computation power Or in scenarios where parallelization is possible and high performance is required and allow parallelization. Domains such as machine learning, research, and analysis of medical sciences, physics, supercomputing, crypto mining, scientific modeling, and simulations, etc. are using CUDA.

History of CUDA

The use of GPU for parallel computing started almost two decades ago. A group of researchers at Stanford unveiled Brook; a platform for general-purpose programming models. The research was funded by Nvidia and the lead researcher Ian Buck later joined Nvidia to develop a commercial product for GPU-based parallel computing called CUDA. A total of 32 releases have been made so far by Nvidia with the current version titled CUDA toolkit 11.1 Update 1.  Initially, the supported language for CUDA was C however, CUDA now supports C++ as well.

How does it work?

Within the supported CUDA compiler, any piece of code can be run on GPU by using the __global__ keyword. Programmers must change their malloc/new and free/delete calls as per the CUDA guidelines so that appropriate space could be allocated on GPU. Once the computation on GPU is finished, the results are synchronized and ported to the CPU.

Try it nowGet Free License

How to download CUDA?

The latest version of CUDA can be downloaded from https://developer.nvidia.com/CUDA-downloads. Different versions of CUDA for different operating systems i.e. Windows and Linux are available. In case you are looking to download an older version of CUDA, check out this URL: https://developer.nvidia.com/cuda-toolkit-archive.

CUDA for Windows

To install CUDA for Windows, you must have a CUDA-supported GPU, a supported version of Windows, and Visual Studio installed. Before you download CUDA, verify that your system has a GPU supported by CUDA. Once verified, download the desired version of CUDA and install it on your system. A detailed installation guide is present here: https://docs.nvidia.com/cuda/cuda-installation-guide-microsoft-windows/index.html

CUDA for Linux

Before you download CUDA for Linux, you must have a CUDA-supported GPU, a supported version of Linux with a GCC compiler and toolchain. CUDA’s installer for various distributions of Linux is present at https://developer.nvidia.com/CUDA-downloads. You can also install CUDA using the package manager of your Linux distribution. A detailed installation guide for numerous Linux distributions is present at https://docs.nvidia.com/cuda/cuda-installation-guide-linux/index.html.

CUDA Advantages

• It’s free
• The installation process is very easy
• Requires no new knowledge and can be easily used with existing C, C++, and Fortran Code
• Third-party wrappers for other programming languages i.e. Java, Python, etc. are also available.
• Widespread and vibrant community
• A wide range of libraries is available for various parallel computing tasks
• Much faster than competitors i.e. OpenCL

CUDA and Incredibuild

Incredibuild turbocharges compilations, as well as CUDA compilations and the NVIdia NSight development environment, tests, and tons of other compute-intensive workloads by seamlessly and concurrently distributing processes across idle CPUs across remote hosts in your local network or the cloud, seamlessly transforming each host into a supercomputer with hundreds of cores – radically shortening compilation times and other huge scope of applications.

Nvidia Nsight Systems and CUDA

Nvidia Nsight Systems collects data from CPU, GPU, driver, and Kernal and presents it against a consistent timeline. This information allows developers to understand the behavior of a program over time. Nsight System has a couple of modules: Nsight Compute and Nsight Graphics, and numerous APIs. With Nsight Compute, programs are first executed so that parts of programs that don’t perform well could be identified. Programmers can then change the execution process of these identified processes to improve performance. Nsight Graphics is a standalone developer tool that enables debugging, profiling, and exporting frames, built with supported graphic SDKs.

CUDA Alternatives

The biggest alternative to CUDA is OpenCL. OpenCL was created by Apple (OpenCL along with OpenGL is deprecated for Apple hardware, in favor of Metal 2) and Khronos Group and launched in 2009. The biggest difference between OpenCL and CUDA is the supported hardware. CUDA is specifically designed for Nvidia’s GPUs however, OpenCL works on Nvidia and AMD’s GPUs. OpenCL’s code can be run on both GPU and CPU whilst CUDA’s code is only executed on GPU. CUDA is much faster on Nvidia GPUs and is the priority of machine learning researchers. Read more for an in-depth comparison of CUDA vs OpenCL.

Введение

Устройства для превращения персональных компьютеров в маленькие суперкомпьютеры известны довольно давно. Ещё в 80-х годах прошлого века на рынке предлагались так называемые транспьютеры, которые вставлялись в распространенные тогда слоты расширения ISA. Первое время их производительность в соответствующих задачах впечатляла, но затем рост быстродействия универсальных процессоров ускорился, они усилили свои позиции в параллельных вычислениях, и смысла в транспьютерах не осталось. Хотя подобные устройства существуют и сейчас — это разнообразные специализированные ускорители. Но зачастую сфера их применения узка и особого распространения такие ускорители не получили.

Но в последнее время эстафета параллельных вычислений перешла к массовому рынку, так или иначе связанному с трёхмерными играми. Универсальные устройства с многоядерными процессорами для параллельных векторных вычислений, используемых в 3D-графике, достигают высокой пиковой производительности, которая универсальным процессорам не под силу. Конечно, максимальная скорость достигается лишь в ряде удобных задач и имеет некоторые ограничения, но такие устройства уже начали довольно широко применять в сферах, для которых они изначально и не предназначались. Отличным примером такого параллельного процессора является процессор Cell, разработанный альянсом Sony-Toshiba-IBM и применяемый в игровой приставке Sony PlayStation 3, а также и все современные видеокарты от лидеров рынка — компаний Nvidia и AMD.

Cell мы сегодня трогать не будем, хоть он и появился раньше и является универсальным процессором с дополнительными векторными возможностями, речь сегодня не о нём. Для 3D видеоускорителей ещё несколько лет назад появились первые технологии неграфических расчётов общего назначения GPGPU (General-Purpose computation on GPUs). Ведь современные видеочипы содержат сотни математических исполнительных блоков, и эта мощь может использоваться для значительного ускорения множества вычислительно интенсивных приложений. И нынешние поколения GPU обладают достаточно гибкой архитектурой, что вместе с высокоуровневыми языками программирования и программно-аппаратными архитектурами, подобными рассматриваемой в этой статье, раскрывает эти возможности и делает их значительно более доступными.

На создание GPCPU разработчиков побудило появление достаточно быстрых и гибких шейдерных программ, которые способны исполнять современные видеочипы. Разработчики задумали сделать так, чтобы GPU рассчитывали не только изображение в 3D приложениях, но и применялись в других параллельных расчётах. В GPGPU для этого использовались графические API: OpenGL и Direct3D, когда данные к видеочипу передавались в виде текстур, а расчётные программы загружались в виде шейдеров. Недостатками такого метода является сравнительно высокая сложность программирования, низкая скорость обмена данными между CPU и GPU и другие ограничения, о которых мы поговорим далее.

Вычисления на GPU развивались и развиваются очень быстро. И в дальнейшем, два основных производителя видеочипов, Nvidia и AMD, разработали и анонсировали соответствующие платформы под названием CUDA (Compute Unified Device Architecture) и CTM (Close To Metal или AMD Stream Computing), соответственно. В отличие от предыдущих моделей программирования GPU, эти были выполнены с учётом прямого доступа к аппаратным возможностям видеокарт. Платформы не совместимы между собой, CUDA — это расширение языка программирования C, а CTM — виртуальная машина, исполняющая ассемблерный код. Зато обе платформы ликвидировали некоторые из важных ограничений предыдущих моделей GPGPU, использующих традиционный графический конвейер и соответствующие интерфейсы Direct3D или OpenGL.

Конечно же, открытые стандарты, использующие OpenGL, кажутся наиболее портируемыми и универсальными, они позволяют использовать один и тот же код для видеочипов разных производителей. Но у таких методов есть масса недостатков, они значительно менее гибкие и не такие удобные в использовании. Кроме того, они не дают использовать специфические возможности определённых видеокарт, такие, как быстрая разделяемая (общая) память, присутствующая в современных вычислительных процессорах.

Именно поэтому компания Nvidia выпустила платформу CUDA — C-подобный язык программирования со своим компилятором и библиотеками для вычислений на GPU. Конечно же, написание оптимального кода для видеочипов совсем не такое простое и эта задача нуждается в длительной ручной работе, но CUDA как раз и раскрывает все возможности и даёт программисту больший контроль над аппаратными возможностями GPU. Важно, что поддержка Nvidia CUDA есть у чипов G8x, G9x и GT2xx, применяемых в видеокартах Geforce серий 8, 9 и 200, которые очень широко распространены. В настоящее время выпущена финальная версия CUDA 2.0, в которой появились некоторые новые возможности, например, поддержка расчётов с двойной точностью. CUDA доступна на 32-битных и 64-битных операционных системах Linux, Windows и MacOS X.

Разница между CPU и GPU в параллельных расчётах

Рост частот универсальных процессоров упёрся в физические ограничения и высокое энергопотребление, и увеличение их производительности всё чаще происходит за счёт размещения нескольких ядер в одном чипе. Продаваемые сейчас процессоры содержат лишь до четырёх ядер (дальнейший рост не будет быстрым) и они предназначены для обычных приложений, используют MIMD — множественный поток команд и данных. Каждое ядро работает отдельно от остальных, исполняя разные инструкции для разных процессов.

Специализированные векторные возможности (SSE2 и SSE3) для четырехкомпонентных (одинарная точность вычислений с плавающей точкой) и двухкомпонентных (двойная точность) векторов появились в универсальных процессорах из-за возросших требований графических приложений, в первую очередь. Именно поэтому для определённых задач применение GPU выгоднее, ведь они изначально сделаны для них.

Например, в видеочипах Nvidia основной блок — это мультипроцессор с восемью-десятью ядрами и сотнями ALU в целом, несколькими тысячами регистров и небольшим количеством разделяемой общей памяти. Кроме того, видеокарта содержит быструю глобальную память с доступом к ней всех мультипроцессоров, локальную память в каждом мультипроцессоре, а также специальную память для констант.

Самое главное — эти несколько ядер мультипроцессора в GPU являются SIMD (одиночный поток команд, множество потоков данных) ядрами. И эти ядра исполняют одни и те же инструкции одновременно, такой стиль программирования является обычным для графических алгоритмов и многих научных задач, но требует специфического программирования. Зато такой подход позволяет увеличить количество исполнительных блоков за счёт их упрощения.

Итак, перечислим основные различия между архитектурами CPU и GPU. Ядра CPU созданы для исполнения одного потока последовательных инструкций с максимальной производительностью, а GPU проектируются для быстрого исполнения большого числа параллельно выполняемых потоков инструкций. Универсальные процессоры оптимизированы для достижения высокой производительности единственного потока команд, обрабатывающего и целые числа и числа с плавающей точкой. При этом доступ к памяти случайный.

Разработчики CPU стараются добиться выполнения как можно большего числа инструкций параллельно, для увеличения производительности. Для этого, начиная с процессоров Intel Pentium, появилось суперскалярное выполнение, обеспечивающее выполнение двух инструкций за такт, а Pentium Pro отличился внеочередным выполнением инструкций. Но у параллельного выполнения последовательного потока инструкций есть определённые базовые ограничения и увеличением количества исполнительных блоков кратного увеличения скорости не добиться.

У видеочипов работа простая и распараллеленная изначально. Видеочип принимает на входе группу полигонов, проводит все необходимые операции, и на выходе выдаёт пиксели. Обработка полигонов и пикселей независима, их можно обрабатывать параллельно, отдельно друг от друга. Поэтому, из-за изначально параллельной организации работы в GPU используется большое количество исполнительных блоков, которые легко загрузить, в отличие от последовательного потока инструкций для CPU. Кроме того, современные GPU также могут исполнять больше одной инструкции за такт (dual issue). Так, архитектура Tesla в некоторых условиях запускает на исполнение операции MAD+MUL или MAD+SFU одновременно.

GPU отличается от CPU ещё и по принципам доступа к памяти. В GPU он связанный и легко предсказуемый — если из памяти читается тексель текстуры, то через некоторое время придёт время и для соседних текселей. Да и при записи то же — пиксель записывается во фреймбуфер, и через несколько тактов будет записываться расположенный рядом с ним. Поэтому организация памяти отличается от той, что используется в CPU. И видеочипу, в отличие от универсальных процессоров, просто не нужна кэш-память большого размера, а для текстур требуются лишь несколько (до 128-256 в нынешних GPU) килобайт.

Да и сама по себе работа с памятью у GPU и CPU несколько отличается. Так, не все центральные процессоры имеют встроенные контроллеры памяти, а у всех GPU обычно есть по несколько контроллеров, вплоть до восьми 64-битных каналов в чипе Nvidia GT200. Кроме того, на видеокартах применяется более быстрая память, и в результате видеочипам доступна в разы большая пропускная способность памяти, что также весьма важно для параллельных расчётов, оперирующих с огромными потоками данных.

В универсальных процессорах большие количества транзисторов и площадь чипа идут на буферы команд, аппаратное предсказание ветвления и огромные объёмы начиповой кэш-памяти. Все эти аппаратные блоки нужны для ускорения исполнения немногочисленных потоков команд. Видеочипы тратят транзисторы на массивы исполнительных блоков, управляющие потоками блоки, разделяемую память небольшого объёма и контроллеры памяти на несколько каналов. Вышеперечисленное не ускоряет выполнение отдельных потоков, оно позволяет чипу обрабатывать нескольких тысяч потоков, одновременно исполняющихся чипом и требующих высокой пропускной способности памяти.

Про отличия в кэшировании. Универсальные центральные процессоры используют кэш-память для увеличения производительности за счёт снижения задержек доступа к памяти, а GPU используют кэш или общую память для увеличения полосы пропускания. CPU снижают задержки доступа к памяти при помощи кэш-памяти большого размера, а также предсказания ветвлений кода. Эти аппаратные части занимают большую часть площади чипа и потребляют много энергии. Видеочипы обходят проблему задержек доступа к памяти при помощи одновременного исполнения тысяч потоков — в то время, когда один из потоков ожидает данных из памяти, видеочип может выполнять вычисления другого потока без ожидания и задержек.

Есть множество различий и в поддержке многопоточности. CPU исполняет 1-2 потока вычислений на одно процессорное ядро, а видеочипы могут поддерживать до 1024 потоков на каждый мультипроцессор, которых в чипе несколько штук. И если переключение с одного потока на другой для CPU стоит сотни тактов, то GPU переключает несколько потоков за один такт.

Кроме того, центральные процессоры используют SIMD (одна инструкция выполняется над многочисленными данными) блоки для векторных вычислений, а видеочипы применяют SIMT (одна инструкция и несколько потоков) для скалярной обработки потоков. SIMT не требует, чтобы разработчик преобразовывал данные в векторы, и допускает произвольные ветвления в потоках.

Картинка с сайта: www.ixbt.com

В итоге, основой для эффективного использования мощи GPU в научных и иных неграфических расчётах является распараллеливание алгоритмов на сотни исполнительных блоков, имеющихся в видеочипах. К примеру, множество приложений по молекулярному моделированию отлично приспособлено для расчётов на видеочипах, они требуют больших вычислительных мощностей и поэтому удобны для параллельных вычислений. А использование нескольких GPU даёт ещё больше вычислительных мощностей для решения подобных задач.

Выполнение расчётов на GPU показывает отличные результаты в алгоритмах, использующих параллельную обработку данных. То есть, когда одну и ту же последовательность математических операций применяют к большому объёму данных. При этом лучшие результаты достигаются, если отношение числа арифметических инструкций к числу обращений к памяти достаточно велико. Это предъявляет меньшие требования к управлению исполнением (flow control), а высокая плотность математики и большой объём данных отменяет необходимость в больших кэшах, как на CPU.

Картинка с сайта: www.ixbt.com

Естественно, эти данные не без доли лукавства. Ведь на CPU гораздо проще на практике достичь теоретических цифр, да и цифры приведены для одинарной точности в случае GPU, и для двойной — в случае CPU. В любом случае, для части параллельных задач одинарной точности хватает, а разница в скорости между универсальными и графическими процессорами весьма велика, и поэтому овчинка стоит выделки.

Первые попытки применения расчётов на GPU

Видеочипы в параллельных математических расчётах пытались использовать довольно давно. Самые первые попытки такого применения были крайне примитивными и ограничивались использованием некоторых аппаратных функций, таких, как растеризация и Z-буферизация. Но в нынешнем веке, с появлением шейдеров, начали ускорять вычисления матриц. В 2003 году на SIGGRAPH отдельная секция была выделена под вычисления на GPU, и она получила название GPGPU (General-Purpose computation on GPU) — универсальные вычисления на GPU).

Наиболее известен BrookGPU — компилятор потокового языка программирования Brook, созданный для выполнения неграфических вычислений на GPU. До его появления разработчики, использующие возможности видеочипов для вычислений, выбирали один из двух распространённых API: Direct3D или OpenGL. Это серьёзно ограничивало применение GPU, ведь в 3D графике используются шейдеры и текстуры, о которых специалисты по параллельному программированию знать не обязаны, они используют потоки и ядра. Brook смог помочь в облегчении их задачи. Эти потоковые расширения к языку C, разработанные в Стэндфордском университете, скрывали от программистов трёхмерный API, и представляли видеочип в виде параллельного сопроцессора. Компилятор обрабатывал файл .br с кодом C++ и расширениями, производя код, привязанный к библиотеке с поддержкой DirectX, OpenGL или x86.

Естественно, у Brook было множество недостатков, на которых мы останавливались, и о которых ещё подробнее поговорим далее. Но даже просто его появление вызвало значительный прилив внимания тех же Nvidia и ATI к инициативе вычислений на GPU, так как развитие этих возможностей серьёзно изменило рынок в дальнейшем, открыв целый новый его сектор — параллельные вычислители на основе видеочипов.

В дальнейшем, некоторые исследователи из проекта Brook влились в команду разработчиков Nvidia, чтобы представить программно-аппаратную стратегию параллельных вычислений, открыв новую долю рынка. И главным преимуществом этой инициативы Nvidia стало то, что разработчики отлично знают все возможности своих GPU до мелочей, и в использовании графического API нет необходимости, а работать с аппаратным обеспечением можно напрямую при помощи драйвера. Результатом усилий этой команды стала Nvidia CUDA (Compute Unified Device Architecture) — новая программно-аппаратная архитектура для параллельных вычислений на Nvidia GPU, которой посвящена эта статья.

Области применения параллельных расчётов на GPU

Чтобы понять, какие преимущества приносит перенос расчётов на видеочипы, приведём усреднённые цифры, полученные исследователями по всему миру. В среднем, при переносе вычислений на GPU, во многих задачах достигается ускорение в 5-30 раз, по сравнению с быстрыми универсальными процессорами. Самые большие цифры (порядка 100-кратного ускорения и даже более!) достигаются на коде, который не очень хорошо подходит для расчётов при помощи блоков SSE, но вполне удобен для GPU.

Это лишь некоторые примеры ускорений синтетического кода на GPU против SSE-векторизованного кода на CPU (по данным Nvidia):

• Флуоресцентная микроскопия: 12x;
• Молекулярная динамика (non-bonded force calc): 8-16x;
• Электростатика (прямое и многоуровневое суммирование Кулона): 40-120x и 7x.

Картинка с сайта: www.ixbt.com

Как видите, цифры весьма привлекательные, особенно впечатляют 100-150-кратные приросты. В следующей статье, посвящённой CUDA, мы подробно разберём некоторые из этих цифр. А сейчас перечислим основные приложения, в которых сейчас применяются вычисления на GPU: анализ и обработка изображений и сигналов, симуляция физики, вычислительная математика, вычислительная биология, финансовые расчёты, базы данных, динамика газов и жидкостей, криптография, адаптивная лучевая терапия, астрономия, обработка звука, биоинформатика, биологические симуляции, компьютерное зрение, анализ данных (data mining), цифровое кино и телевидение, электромагнитные симуляции, геоинформационные системы, военные применения, горное планирование, молекулярная динамика, магнитно-резонансная томография (MRI), нейросети, океанографические исследования, физика частиц, симуляция свёртывания молекул белка, квантовая химия, трассировка лучей, визуализация, радары, гидродинамическое моделирование (reservoir simulation), искусственный интеллект, анализ спутниковых данных, сейсмическая разведка, хирургия, ультразвук, видеоконференции.

Подробности о многих применениях можно найти на сайте компании Nvidia в разделе по технологии CUDA. Как видите, список довольно большой, но и это ещё не всё! Его можно продолжать, и наверняка можно предположить, что в будущем будут найдены и другие области применения параллельных расчётов на видеочипах, о которых мы пока не догадываемся.

Возможности Nvidia CUDA

Технология CUDA — это программно-аппаратная вычислительная архитектура Nvidia, основанная на расширении языка Си, которая даёт возможность организации доступа к набору инструкций графического ускорителя и управления его памятью при организации параллельных вычислений. CUDA помогает реализовывать алгоритмы, выполнимые на графических процессорах видеоускорителей Geforce восьмого поколения и старше (серии Geforce 8, Geforce 9, Geforce 200), а также Quadro и Tesla.

Хотя трудоёмкость программирования GPU при помощи CUDA довольно велика, она ниже, чем с ранними GPGPU решениями. Такие программы требуют разбиения приложения между несколькими мультипроцессорами подобно MPI программированию, но без разделения данных, которые хранятся в общей видеопамяти. И так как CUDA программирование для каждого мультипроцессора подобно OpenMP программированию, оно требует хорошего понимания организации памяти. Но, конечно же, сложность разработки и переноса на CUDA сильно зависит от приложения.

Набор для разработчиков содержит множество примеров кода и хорошо документирован. Процесс обучения потребует около двух-четырёх недель для тех, кто уже знаком с OpenMP и MPI. В основе API лежит расширенный язык Си, а для трансляции кода с этого языка в состав CUDA SDK входит компилятор командной строки nvcc, созданный на основе открытого компилятора Open64.

Перечислим основные характеристики CUDA:

• унифицированное программно-аппаратное решение для параллельных вычислений на видеочипах Nvidia;
• большой набор поддерживаемых решений, от мобильных до мультичиповых
• стандартный язык программирования Си;
• стандартные библиотеки численного анализа FFT (быстрое преобразование Фурье) и BLAS (линейная алгебра);
• оптимизированный обмен данными между CPU и GPU;
• взаимодействие с графическими API OpenGL и DirectX;
• поддержка 32- и 64-битных операционных систем: Windows XP, Windows Vista, Linux и MacOS X;
• возможность разработки на низком уровне.

Касательно поддержки операционных систем нужно добавить, что официально поддерживаются все основные дистрибутивы Linux (Red Hat Enterprise Linux 3.x/4.x/5.x, SUSE Linux 10.x), но, судя по данным энтузиастов, CUDA прекрасно работает и на других сборках: Fedora Core, Ubuntu, Gentoo и др.

Среда разработки CUDA (CUDA Toolkit) включает:

• компилятор nvcc;
• библиотеки FFT и BLAS;
• профилировщик;
• отладчик gdb для GPU;
• CUDA runtime драйвер в комплекте стандартных драйверов Nvidia
• руководство по программированию;
• CUDA Developer SDK (исходный код, утилиты и документация).

В примерах исходного кода: параллельная битонная сортировка (bitonic sort), транспонирование матриц, параллельное префиксное суммирование больших массивов, свёртка изображений, дискретное вейвлет-преобразование, пример взаимодействия с OpenGL и Direct3D, использование библиотек CUBLAS и CUFFT, вычисление цены опциона (формула Блэка-Шоулза, биномиальная модель, метод Монте-Карло), параллельный генератор случайных чисел Mersenne Twister, вычисление гистограммы большого массива, шумоподавление, фильтр Собеля (нахождение границ).

Преимущества и ограничения CUDA

Картинка с сайта: www.ixbt.com

Чтобы перенести вычисления на GPU в рамках такой модели, нужен специальный подход. Даже поэлементное сложение двух векторов потребует отрисовки фигуры на экране или во внеэкранный буфер. Фигура растеризуется, цвет каждого пикселя вычисляется по заданной программе (пиксельному шейдеру). Программа считывает входные данные из текстур для каждого пикселя, складывает их и записывает в выходной буфер. И все эти многочисленные операции нужны для того, что в обычном языке программирования записывается одним оператором!

Поэтому, применение GPGPU для вычислений общего назначения имеет ограничение в виде слишком большой сложности обучения разработчиков. Да и других ограничений достаточно, ведь пиксельный шейдер — это всего лишь формула зависимости итогового цвета пикселя от его координаты, а язык пиксельных шейдеров — язык записи этих формул с Си-подобным синтаксисом. Ранние методы GPGPU являются хитрым трюком, позволяющим использовать мощность GPU, но без всякого удобства. Данные там представлены изображениями (текстурами), а алгоритм — процессом растеризации. Нужно особо отметить и весьма специфичную модель памяти и исполнения.

Программно-аппаратная архитектура для вычислений на GPU компании Nvidia отличается от предыдущих моделей GPGPU тем, что позволяет писать программы для GPU на настоящем языке Си со стандартным синтаксисом, указателями и необходимостью в минимуме расширений для доступа к вычислительным ресурсам видеочипов. CUDA не зависит от графических API, и обладает некоторыми особенностями, предназначенными специально для вычислений общего назначения.

Преимущества CUDA перед традиционным подходом к GPGPU вычислениям:

• интерфейс программирования приложений CUDA основан на стандартном языке программирования Си с расширениями, что упрощает процесс изучения и внедрения архитектуры CUDA;
• CUDA обеспечивает доступ к разделяемой между потоками памяти размером в 16 Кб на мультипроцессор, которая может быть использована для организации кэша с широкой полосой пропускания, по сравнению с текстурными выборками;
• более эффективная передача данных между системной и видеопамятью
• отсутствие необходимости в графических API с избыточностью и накладными расходами;
• линейная адресация памяти, и gather и scatter, возможность записи по произвольным адресам;
• аппаратная поддержка целочисленных и битовых операций.

Основные ограничения CUDA:

• отсутствие поддержки рекурсии для выполняемых функций;
• минимальная ширина блока в 32 потока;
• закрытая архитектура CUDA, принадлежащая Nvidia.

Слабыми местами программирования при помощи предыдущих методов GPGPU является то, что эти методы не используют блоки исполнения вершинных шейдеров в предыдущих неунифицированных архитектурах, данные хранятся в текстурах, а выводятся во внеэкранный буфер, а многопроходные алгоритмы используют пиксельные шейдерные блоки. В ограничения GPGPU можно включить: недостаточно эффективное использование аппаратных возможностей, ограничения полосой пропускания памяти, отсутствие операции scatter (только gather), обязательное использование графического API.

Основные преимущества CUDA по сравнению с предыдущими методами GPGPU вытекают из того, что эта архитектура спроектирована для эффективного использования неграфических вычислений на GPU и использует язык программирования C, не требуя переноса алгоритмов в удобный для концепции графического конвейера вид. CUDA предлагает новый путь вычислений на GPU, не использующий графические API, предлагающий произвольный доступ к памяти (scatter или gather). Такая архитектура лишена недостатков GPGPU и использует все исполнительные блоки, а также расширяет возможности за счёт целочисленной математики и операций битового сдвига.

Кроме того, CUDA открывает некоторые аппаратные возможности, недоступные из графических API, такие как разделяемая память. Это память небольшого объёма (16 килобайт на мультипроцессор), к которой имеют доступ блоки потоков. Она позволяет кэшировать наиболее часто используемые данные и может обеспечить более высокую скорость, по сравнению с использованием текстурных выборок для этой задачи. Что, в свою очередь, снижает чувствительность к пропускной способности параллельных алгоритмов во многих приложениях. Например, это полезно для линейной алгебры, быстрого преобразования Фурье и фильтров обработки изображений.

Удобнее в CUDA и доступ к памяти. Программный код в графических API выводит данные в виде 32-х значений с плавающей точкой одинарной точности (RGBA значения одновременно в восемь render target) в заранее предопределённые области, а CUDA поддерживает scatter запись — неограниченное число записей по любому адресу. Такие преимущества делают возможным выполнение на GPU некоторых алгоритмов, которые невозможно эффективно реализовать при помощи методов GPGPU, основанных на графических API.

Также, графические API в обязательном порядке хранят данные в текстурах, что требует предварительной упаковки больших массивов в текстуры, что усложняет алгоритм и заставляет использовать специальную адресацию. А CUDA позволяет читать данные по любому адресу. Ещё одним преимуществом CUDA является оптимизированный обмен данными между CPU и GPU. А для разработчиков, желающих получить доступ к низкому уровню (например, при написании другого языка программирования), CUDA предлагает возможность низкоуровневого программирования на ассемблере.

История развития CUDA

Разработка CUDA была анонсирована вместе с чипом G80 в ноябре 2006, а релиз публичной бета-версии CUDA SDK состоялся в феврале 2007 года. Версия 1.0 вышла в июне 2007 года под запуск в продажу решений Tesla, основанных на чипе G80, и предназначенных для рынка высокопроизводительных вычислений. Затем, в конце года вышла бета-версия CUDA 1.1, которая, несмотря на малозначительное увеличение номера версии, ввела довольно много нового.

Из появившегося в CUDA 1.1 можно отметить включение CUDA-функциональности в обычные видеодрайверы Nvidia. Это означало, что в требованиях к любой CUDA программе достаточно было указать видеокарту серии Geforce 8 и выше, а также минимальную версию драйверов 169.xx. Это очень важно для разработчиков, при соблюдении этих условий CUDA программы будут работать у любого пользователя. Также было добавлено асинхронное выполнение вместе с копированием данных (только для чипов G84, G86, G92 и выше), асинхронная пересылка данных в видеопамять, атомарные операции доступа к памяти, поддержка 64-битных версий Windows и возможность мультичиповой работы CUDA в режиме SLI.

На данный момент актуальной является версия для решений на основе GT200 — CUDA 2.0, вышедшая вместе с линейкой Geforce GTX 200. Бета-версия была выпущена ещё весной 2008 года. Во второй версии появились: поддержка вычислений двойной точности (аппаратная поддержка только у GT200), наконец-то поддерживается Windows Vista (32 и 64-битные версии) и Mac OS X, добавлены средства отладки и профилирования, поддерживаются 3D текстуры, оптимизированная пересылка данных.

Что касается вычислений с двойной точностью, то их скорость на текущем аппаратном поколении ниже одинарной точности в несколько раз. Причины рассмотрены в нашей базовой статье по Geforce GTX 280. Реализация в GT200 этой поддержки заключается в том, блоки FP32 не используются для получения результата в четыре раза меньшем темпе, для поддержки FP64 вычислений в Nvidia решили сделать выделенные вычислительные блоки. И в GT200 их в десять раз меньше, чем блоков FP32 (по одному блоку двойной точности на каждый мультипроцессор).

Реально производительность может быть даже ещё меньше, так как архитектура оптимизирована для 32-битного чтения из памяти и регистров, кроме того, двойная точность не нужна в графических приложениях, и в GT200 она сделана скорее, чтобы  просто была. Да и современные четырехъядерные процессоры показывают не намного меньшую реальную производительность. Но будучи даже в 10 раз медленнее, чем одинарная точность, такая поддержка полезна для схем со смешанной точностью. Одна из распространенных техник — получить изначально приближенные результаты в одинарной точности, и затем их уточнить в двойной. Теперь это можно сделать прямо на видеокарте, без пересылки промежуточных данных к CPU.

Ещё одна полезная особенность CUDA 2.0 не имеет отношения к GPU, как ни странно. Просто теперь можно компилировать код CUDA в высокоэффективный многопоточный SSE код для быстрого исполнения на центральном процессоре. То есть, теперь эта возможность годится не только для отладки, но и реального использования на системах без видеокарты Nvidia. Ведь использование CUDA в обычном коде сдерживается тем, что видеокарты Nvidia хоть и самые популярные среди выделенных видеорешений, но имеются не во всех системах. И до версии 2.0 в таких случаях пришлось бы делать два разных кода: для CUDA и отдельно для CPU. А теперь можно выполнять любую CUDA программу на CPU с высокой эффективностью, пусть и с меньшей скоростью, чем на видеочипах.

Решения с поддержкой Nvidia CUDA

Все видеокарты, обладающие поддержкой CUDA, могут помочь в ускорении большинства требовательных задач, начиная от аудио- и видеообработки, и заканчивая медициной и научными исследованиями. Единственное реальное ограничение состоит в том, что многие CUDA программы требуют минимум 256 мегабайт видеопамяти, и это — одна из важнейших технических характеристик для CUDA-приложений.

Актуальный список поддерживающих CUDA продуктов можно получить на вебсайте Nvidia. На момент написания статьи расчёты CUDA поддерживали все продукты серий Geforce 200, Geforce 9 и Geforce 8, в том числе и мобильные продукты, начиная с Geforce 8400M, а также и чипсеты Geforce 8100, 8200 и 8300. Также поддержкой CUDA обладают современные продукты Quadro и все Tesla: S1070, C1060, C870, D870 и S870.

Картинка с сайта: www.ixbt.com

Картинка с сайта: www.ixbt.com

Особо отметим, что вместе с новыми видеокартами Geforce GTX 260 и 280, были анонсированы и соответствующие решения для высокопроизводительных вычислений: Tesla C1060 и S1070 (представленные на фото выше), которые будут доступны для приобретения осенью этого года. GPU в них применён тот же — GT200, в C1060 он один, в S1070 — четыре. Зато, в отличие от игровых решений, в них используется по четыре гигабайта памяти на каждый чип. Из минусов разве что меньшая частота памяти и ПСП, чем у игровых карт, обеспечивающая по 102 гигабайт/с на чип.

Состав Nvidia CUDA

Есть и ещё один уровень, даже более высокий — две библиотеки:

CUBLAS — CUDA вариант BLAS (Basic Linear Algebra Subprograms), предназначенный для вычислений задач линейной алгебры и использующий прямой доступ к ресурсам GPU;

CUFFT — CUDA вариант библиотеки Fast Fourier Transform для расчёта быстрого преобразования Фурье, широко используемого при обработке сигналов. Поддерживаются следующие типы преобразований: complex-complex (C2C), real-complex (R2C) и complex-real (C2R).

Рассмотрим эти библиотеки подробнее. CUBLAS — это переведённые на язык CUDA стандартные алгоритмы линейной алгебры, на данный момент поддерживается только определённый набор основных функций CUBLAS. Библиотеку очень легко использовать: нужно создать матрицу и векторные объекты в памяти видеокарты, заполнить их данными, вызвать требуемые функции CUBLAS, и загрузить результаты из видеопамяти обратно в системную. CUBLAS содержит специальные функции для создания и уничтожения объектов в памяти GPU, а также для чтения и записи данных в эту память. Поддерживаемые функции BLAS: уровни 1, 2 и 3 для действительных чисел, уровень 1 CGEMM для комплексных. Уровень 1 — это векторно-векторные операции, уровень 2 — векторно-матричные операции, уровень 3 — матрично-матричные операции.

CUFFT — CUDA вариант функции быстрого преобразования Фурье — широко используемой и очень важной при анализе сигналов, фильтрации и т.п. CUFFT предоставляет простой интерфейс для эффективного вычисления FFT на видеочипах производства Nvidia без необходимости в разработке собственного варианта FFT для GPU. CUDA вариант FFT поддерживает 1D, 2D, и 3D преобразования комплексных и действительных данных, пакетное исполнение для нескольких 1D трансформаций в параллели, размеры 2D и 3D трансформаций могут быть в пределах [2, 16384], для 1D поддерживается размер до 8 миллионов элементов.

Основы создания программ на CUDA

Картинка с сайта: www.ixbt.com

Каждый из мультипроцессоров имеет определённые ресурсы. Так, есть специальная разделяемая память объемом 16 килобайт на мультипроцессор. Но это не кэш, так как программист может использовать её для любых нужд, подобно Local Store в SPU процессоров Cell. Эта разделяемая память позволяет обмениваться информацией между потоками одного блока. Важно, что все потоки одного блока всегда выполняются одним и тем же мультипроцессором. А потоки из разных блоков обмениваться данными не могут, и нужно помнить это ограничение. Разделяемая память часто бывает полезной, кроме тех случаев, когда несколько потоков обращаются к одному банку памяти. Мультипроцессоры могут обращаться и к видеопамяти, но с большими задержками и худшей пропускной способностью. Для ускорения доступа и снижения частоты обращения к видеопамяти, у мультипроцессоров есть по 8 килобайт кэша на константы и текстурные данные.

Мультипроцессор использует 8192-16384 (для G8x/G9x и GT2xx, соответственно) регистра, общие для всех потоков всех блоков, выполняемых на нём. Максимальное число блоков на один мультипроцессор для G8x/G9x равно восьми, а число warp — 24 (768 потоков на один мультипроцессор). Всего топовые видеокарты серий Geforce 8 и 9 могут обрабатывать до 12288 потоков единовременно. Geforce GTX 280 на основе GT200 предлагает до 1024 потоков на мультипроцессор, в нём есть 10 кластеров по три мультипроцессора, обрабатывающих до 30720 потоков. Знание этих ограничений позволяет оптимизировать алгоритмы под доступные ресурсы.

Первым шагом при переносе существующего приложения на CUDA является его профилирование и определение участков кода, являющихся «бутылочным горлышком», тормозящим работу. Если среди таких участков есть подходящие для быстрого параллельного исполнения, эти функции переносятся на Cи расширения CUDA для выполнения на GPU. Программа компилируется при помощи поставляемого Nvidia компилятора, который генерирует код и для CPU, и для GPU. При исполнении программы, центральный процессор выполняет свои порции кода, а GPU выполняет CUDA код с наиболее тяжелыми параллельными вычислениями. Эта часть, предназначенная для GPU, называется ядром (kernel). В ядре определяются операции, которые будут исполнены над данными.

Видеочип получает ядро и создает копии для каждого элемента данных. Эти копии называются потоками (thread). Поток содержит счётчик, регистры и состояние. Для больших объёмов данных, таких как обработка изображений, запускаются миллионы потоков. Потоки выполняются группами по 32 штуки, называемыми warp’ы. Warp’ам назначается исполнение на определенных потоковых мультипроцессорах. Каждый мультипроцессор состоит из восьми ядер — потоковых процессоров, которые выполняют одну инструкцию MAD за один такт. Для исполнения одного 32-поточного warp’а требуется четыре такта работы мультипроцессора (речь о частоте shader domain, которая равна 1.5 ГГц и выше).

Мультипроцессор не является традиционным многоядерным процессором, он отлично приспособлен для многопоточности, поддерживая до 32 warp’ов единовременно. Каждый такт аппаратное обеспечение выбирает, какой из warp’ов исполнять, и переключается от одного к другому без потерь в тактах. Если проводить аналогию с центральным процессором, это похоже на одновременное исполнение 32 программ и переключение между ними каждый такт без потерь на переключение контекста. Реально ядра CPU поддерживают единовременное выполнение одной программы и переключаются на другие с задержкой в сотни тактов.

Модель программирования CUDA

Повторимся, что CUDA использует параллельную модель вычислений, когда каждый из SIMD процессоров выполняет ту же инструкцию над разными элементами данных параллельно. GPU является вычислительным устройством, сопроцессором (device) для центрального процессора (host), обладающим собственной памятью и обрабатывающим параллельно большое количество потоков. Ядром (kernel) называется функция для GPU, исполняемая потоками (аналогия из 3D графики — шейдер).

Мы говорили выше, что видеочип отличается от CPU тем, что может обрабатывать одновременно десятки тысяч потоков, что обычно для графики, которая хорошо распараллеливается. Каждый поток скалярен, не требует упаковки данных в 4-компонентные векторы, что удобнее для большинства задач. Количество логических потоков и блоков потоков превосходит количество физических исполнительных устройств, что даёт хорошую масштабируемость для всего модельного ряда решений компании.

Блоки потоков выполняются в виде небольших групп, называемых варп (warp), размер которых — 32 потока. Это минимальный объём данных, которые могут обрабатываться в мультипроцессорах. И так как это не всегда удобно, CUDA позволяет работать и с блоками, содержащими от 64 до 512 потоков.

Группировка блоков в сетки позволяет уйти от ограничений и применить ядро к большему числу потоков за один вызов. Это помогает и при масштабировании. Если у GPU недостаточно ресурсов, он будет выполнять блоки последовательно. В обратном случае, блоки могут выполняться параллельно, что важно для оптимального распределения работы на видеочипах разного уровня, начиная от мобильных и интегрированных.

Модель памяти CUDA

Модель памяти в CUDA отличается возможностью побайтной адресации, поддержкой как gather, так и scatter. Доступно довольно большое количество регистров на каждый потоковый процессор, до 1024 штук. Доступ к ним очень быстрый, хранить в них можно 32-битные целые или числа с плавающей точкой.

Глобальная память — самый большой объём памяти, доступный для всех мультипроцессоров на видеочипе, размер составляет от 256 мегабайт до 1.5 гигабайт на текущих решениях (и до 4 Гбайт на Tesla). Обладает высокой пропускной способностью, более 100 гигабайт/с для топовых решений Nvidia, но очень большими задержками в несколько сот тактов. Не кэшируется, поддерживает обобщённые инструкции load и store, и обычные указатели на память.

Локальная память — это небольшой объём памяти, к которому имеет доступ только один потоковый процессор. Она относительно медленная — такая же, как и глобальная.

Разделяемая память — это 16-килобайтный (в видеочипах нынешней архитектуры) блок памяти с общим доступом для всех потоковых процессоров в мультипроцессоре. Эта память весьма быстрая, такая же, как регистры. Она обеспечивает взаимодействие потоков, управляется разработчиком напрямую и имеет низкие задержки. Преимущества разделяемой памяти: использование в виде управляемого программистом кэша первого уровня, снижение задержек при доступе исполнительных блоков (ALU) к данным, сокращение количества обращений к глобальной памяти.

Память констант — область памяти объемом 64 килобайта (то же — для нынешних GPU), доступная только для чтения всеми мультипроцессорами. Она кэшируется по 8 килобайт на каждый мультипроцессор. Довольно медленная — задержка в несколько сот тактов при отсутствии нужных данных в кэше.

Текстурная память — блок памяти, доступный для чтения всеми мультипроцессорами. Выборка данных осуществляется при помощи текстурных блоков видеочипа, поэтому предоставляются возможности линейной интерполяции данных без дополнительных затрат. Кэшируется по 8 килобайт на каждый мультипроцессор. Медленная, как глобальная — сотни тактов задержки при отсутствии данных в кэше.

Из написанного выше понятно, что CUDA предполагает специальный подход к разработке, не совсем такой, как принят в программах для CPU. Нужно помнить о разных типах памяти, о том, что локальная и глобальная память не кэшируется и задержки при доступе к ней гораздо выше, чем у регистровой памяти, так как она физически находится в отдельных микросхемах.

Типичный, но не обязательный шаблон решения задач:

• задача разбивается на подзадачи;
• входные данные делятся на блоки, которые вмещаются в разделяемую память;
• каждый блок обрабатывается блоком потоков;
• подблок подгружается в разделяемую память из глобальной;
• над данными в разделяемой памяти проводятся соответствующие вычисления;
• результаты копируются из разделяемой памяти обратно в глобальную.

Среда программирования

В состав CUDA входят runtime библиотеки:

• общая часть, предоставляющая встроенные векторные типы и подмножества вызовов RTL, поддерживаемые на CPU и GPU;
• CPU-компонента, для управления одним или несколькими GPU;
• GPU-компонента, предоставляющая специфические функции для GPU.

Основной процесс приложения CUDA работает на универсальном процессоре (host), он запускает несколько копий процессов kernel на видеокарте. Код для CPU делает следующее: инициализирует GPU, распределяет память на видеокарте и системе, копирует константы в память видеокарты, запускает несколько копий процессов kernel на видеокарте, копирует полученный результат из видеопамяти, освобождает память и завершает работу.

Картинка с сайта: www.ixbt.com

Функции, исполняемые видеочипом, имеют следующие ограничения: отсутствует рекурсия, нет статических переменных внутри функций и переменного числа аргументов. Поддерживается два вида управления памятью: линейная память с доступом по 32-битным указателям, и CUDA-массивы с доступом только через функции текстурной выборки.

Программы на CUDA могут взаимодействовать с графическими API: для рендеринга данных, сгенерированных в программе, для считывания результатов рендеринга и их обработки средствами CUDA (например, при реализации фильтров постобработки). Для этого ресурсы графических API могут быть отображены (с получением адреса ресурса) в пространство глобальной памяти CUDA. Поддерживаются следующие типы ресурсов графических API: Buffer Objects (PBO / VBO) в OpenGL, вершинные буферы и текстуры (2D, 3D и кубические карты) Direct3D9.

Файлы исходного кода на CUDA C компилируются при помощи программы NVCC, которая является оболочкой над другими инструментами, и вызывает их: cudacc, g++, cl и др. NVCC генерирует: код для центрального процессора, который компилируется вместе с остальными частями приложения, написанными на чистом Си, и объектный код PTX для видеочипа. Исполнимые файлы с кодом на CUDA в обязательном порядке требуют наличия библиотек CUDA runtime library (cudart) и CUDA core library (cuda).

Оптимизация программ на CUDA

Естественно, в рамках обзорной статьи невозможно рассмотреть серьёзные вопросы оптимизации в CUDA программировании. Поэтому просто вкратце расскажем о базовых вещах. Для эффективного использования возможностей CUDA нужно забыть про обычные методы написания программ для CPU, и использовать те алгоритмы, которые хорошо распараллеливаются на тысячи потоков. Также важно найти оптимальное место для хранения данных (регистры, разделяемая память и т.п.), минимизировать передачу данных между CPU и GPU, использовать буферизацию.

В общих чертах, при оптимизации программы CUDA нужно постараться добиться оптимального баланса между размером и количеством блоков. Большее количество потоков в блоке снизит влияние задержек памяти, но снизит и доступное число регистров. Кроме того, блок из 512 потоков неэффективен, сама Nvidia рекомендует использовать блоки по 128 или 256 потоков, как компромиссное значение для достижения оптимальных задержек и количества регистров.

Среди основных моментов оптимизации программ CUDA: как можно более активное использование разделяемой памяти, так как она значительно быстрее глобальной видеопамяти видеокарты; операции чтения и записи из глобальной памяти должны быть объединены (coalesced) по возможности. Для этого нужно использовать специальные типы данных для чтения и записи сразу по 32/64/128 бита данных одной операцией. Если операции чтения трудно объединить, можно попробовать использовать текстурные выборки.

Выводы

Представленная компанией Nvidia программно-аппаратная архитектура для расчётов на видеочипах CUDA хорошо подходит для решения широкого круга задач с высоким параллелизмом. CUDA работает на большом количестве видеочипов Nvidia, и улучшает модель программирования GPU, значительно упрощая её и добавляя большое количество возможностей, таких как разделяемая память, возможность синхронизации потоков, вычисления с двойной точностью и целочисленные операции.

CUDA — это доступная каждому разработчику ПО технология, её может использовать любой программист, знающий язык Си. Придётся только привыкнуть к иной парадигме программирования, присущей параллельным вычислениям. Но если алгоритм в принципе хорошо распараллеливается, то изучение и затраты времени на программирование на CUDA вернутся в многократном размере.

Вполне вероятно, что в силу широкого распространения видеокарт в мире, развитие параллельных вычислений на GPU сильно повлияет на индустрию высокопроизводительных вычислений. Эти возможности уже вызвали большой интерес в научных кругах, да и не только в них. Ведь потенциальные возможности ускорения хорошо поддающихся распараллеливанию алгоритмов (на доступном аппаратном обеспечении, что не менее важно) сразу в десятки раз бывают не так часто.

Универсальные процессоры развиваются довольно медленно, у них нет таких скачков производительности. По сути, пусть это и звучит слишком громко, все нуждающиеся в быстрых вычислителях теперь могут получить недорогой персональный суперкомпьютер на своём столе, иногда даже не вкладывая дополнительных средств, так как видеокарты Nvidia широко распространены. Не говоря уже об увеличении эффективности в терминах GFLOPS/$ и GFLOPS/Вт, которые так нравятся производителям GPU.

Будущее множества вычислений явно за параллельными алгоритмами, почти все новые решения и инициативы направлены в эту сторону. Пока что, впрочем, развитие новых парадигм находится на начальном этапе, приходится вручную создавать потоки и планировать доступ к памяти, что усложняет задачи по сравнению с привычным программированием. Но технология CUDA сделала шаг в правильном направлении и в ней явно проглядывается успешное решение, особенно если Nvidia удастся убедить как можно разработчиков в его пользе и перспективах.

Но, конечно, GPU не заменят CPU. В их нынешнем виде они и не предназначены для этого. Сейчас что видеочипы движутся постепенно в сторону CPU, становясь всё более универсальными (расчёты с плавающей точкой одинарной и двойной точности, целочисленные вычисления), так и CPU становятся всё более «параллельными», обзаводясь большим количеством ядер, технологиями многопоточности, не говоря про появление блоков SIMD и проектов гетерогенных процессоров. Скорее всего, GPU и CPU в будущем просто сольются. Известно, что многие компании, в том числе Intel и AMD работают над подобными проектами. И неважно, будут ли GPU поглощены CPU, или наоборот.

В статье мы в основном говорили о преимуществах CUDA. Но есть и ложечка дёгтя. Один из немногочисленных недостатков CUDA — слабая переносимость. Эта архитектура работает только на видеочипах этой компании, да ещё и не на всех, а начиная с серии Geforce 8 и 9 и соответствующих Quadro и Tesla. Да, таких решений в мире очень много, Nvidia приводит цифру в 90 миллионов CUDA-совместимых видеочипов. Это просто отлично, но ведь конкуренты предлагают свои решения, отличные от CUDA. Так, у AMD есть Stream Computing, у Intel в будущем будет Ct.

Которая из технологий победит, станет распространённой и проживёт дольше остальных — покажет только время. Но у CUDA есть неплохие шансы, так как по сравнению с Stream Computing, например, она представляет более развитую и удобную для использования среду программирования на обычном языке Си. Возможно, в определении поможет третья сторона, выпустив некое общее решение. К примеру, в следующем обновлении DirectX под версией 11, компанией Microsoft обещаны вычислительные шейдеры, которые и могут стать неким усреднённым решением, устраивающим всех, или почти всех.

Судя по предварительным данным, этот новый тип шейдеров заимствует многое из модели CUDA. И программируя в этой среде уже сейчас, можно получить преимущества сразу и необходимые навыки для будущего. С точки зрения высокопроизводительных вычислений, у DirectX также есть явный недостаток в виде плохой переносимости, так как этот API ограничен платформой Windows. Впрочем, разрабатывается и ещё один стандарт — открытая мультиплатформенная инициатива OpenCL, которая поддерживается большинством компаний, среди которых Nvidia, AMD, Intel, IBM и многие другие.

Не забывайте, что в следующей статье по CUDA вас ждёт исследование конкретных практических применений научных и других неграфических вычислений, выполненных разработчиками из разных уголков нашей планеты при помощи Nvidia CUDA.