显卡的一些总结

0.显卡架构

1.浮点数在计算机内存中的存储方式(FP32, FP64)

2.FP32 & TF32

• TF32 采用了与半精度（ FP16 ）数学相同的10 位尾数位精度，这样的精度水平远高于AI 工作负载的精度要求，有足够的余量。同时， TF32 采用了与FP32 相同的8 位指数位，能够支持与其相同的数字范围。这样的组合使TF32 成为了代替FP32 ，进行单精度数学计算的绝佳替代品，尤其是用于大量的乘积累加计算，其是深度学习和许多HPC 应用的核心。借助于NVIDIA 函示库，用户无需修改代码，即可使其应用程式充分发挥TF32 的各种优势。TF32 Tensor Core 根据FP32 的输入进行计算，并生成FP32 格式的结果。目前，其他非矩阵计算仍然使用FP32 。
• NVIDIA A100/Ampere安培架构 GPU 中的新数据类型，TF32 使用与半精度 (FP16) 数学相同的 10 位尾数，表明对于 AI 工作负载的精度要求有足够的余量。并且TF32采用与FP32相同的8位指数，因此可以支持相同的数值范围。

3.FLOPS计算

• 英伟达Tesla A100核心采用台积电7N工艺，826mm2核心面积塞入542亿个晶体管。108组SXM4架构的SM单元拥有6912个CUDA核心,核心Tensor Core虽然减少到432个，但性能大幅增强，支持全新的TF32运算。一个Tensor Core每个时钟可以完成 256 FP16/FP32 FMA 操作。每个SM中有1024个FMA独立计算单元，对应2048个独立的浮点运算，等效为2048个线程，A100总共108 SM，所以A100总共存在108*2048=221184个线程。
• FP64,是指一个SM中的8*4=32个FP64 CUDA core对应的算力,108*32*2FLOP*1.41Ghz=9.7 TFLOPS。
• FP16 Tensor core ，(108*4)*256*2FLOP*1.41Ghz=311 TFLOPS。
• FP64 Tensor core ，(108*4)*256*2FLOP*1.41Ghz/16=19.5 TFLOPS。
  
  

4.tensor core和cuda core的区别

5.GPU和CPU内部

6.cuda、kernel、grid、block

• GPU包括更多的运算核心，其特别适合数据并行的计算密集型任务，如大型矩阵运算，而CPU的运算核心较少，但是其可以实现复杂的逻辑运算，因此其适合控制密集型任务。另外，CPU上的线程是重量级的，上下文切换开销大，但是GPU由于存在很多核心，其线程是轻量级的。因此，基于CPU+GPU的异构计算平台可以优势互补，CPU负责处理逻辑复杂的串行程序，而GPU重点处理数据密集型的并行计算程序，从而发挥最大功效。
  

• CUDA是NVIDIA公司所开发的GPU编程模型，它提供了GPU编程的简易接口，基于CUDA编程可以构建基于GPU计算的应用程序。
  

• CUDA编程模型是一个异构模型，需要CPU和GPU协同工作。在CUDA中，host和device是两个重要的概念，我们用host指代CPU及其内存，而用device指代GPU及其内存。CUDA程序中既包含host程序，又包含device程序，它们分别在CPU和GPU上运行。同时，host与device之间可以进行通信，这样它们之间可以进行数据拷贝。典型的CUDA程序的执行流程如下：

  • 分配host内存，并进行数据初始化；
  • 分配device内存，并从host将数据拷贝到device上；
  • 调用CUDA的核函数在device上完成指定的运算；
  • 将device上的运算结果拷贝到host上；
  • 释放device和host上分配的内存。

• CUDA逻辑层

  • kernel是CUDA中一个重要的概念，kernel是在device上线程中并行执行的函数，核函数用__global__符号声明，在调用时需要用<<>>来指定kernel要执行的线程数量，在CUDA中，每一个线程都要执行核函数，并且每个线程会分配一个唯一的线程号thread ID。
  • kernel在device上执行时实际上是启动很多线程，一个kernel所启动的所有线程称为一个网格（grid），同一个网格上的线程共享相同的全局内存空间，grid是线程结构的第一层次，而网格又可以分为很多线程块（block），一个线程块里面包含很多线程，这是第二个层次。
    

• CUDA物理层

  • 一个kernel实际上会启动很多线程，这些线程是逻辑上并行的，但是在物理层却并不一定。这其实和CPU的多线程有类似之处，多线程如果没有多核支持，在物理层也是无法实现并行的。但是好在GPU存在很多CUDA核心，充分利用CUDA核心可以充分发挥GPU的并行计算能力。
  • GPU硬件的一个核心组件是SM，前面已经说过，SM是英文名是 Streaming Multiprocessor，翻译过来就是流式多处理器。SM的核心组件包括CUDA核心，共享内存，寄存器等，SM可以并发地执行数百个线程，并发能力就取决于SM所拥有的资源数。当一个kernel被执行时，它的gird中的线程块被分配到SM上，一个线程块只能在一个SM上被调度。SM一般可以调度多个线程块，这要看SM本身的能力。那么有可能一个kernel的各个线程块被分配多个SM，所以grid只是逻辑层，而SM才是执行的物理层。
  • SM采用的是SIMT (Single-Instruction, Multiple-Thread，单指令多线程)架构，基本的执行单元是线程束（wraps)，线程束包含32个线程，这些线程同时执行相同的指令，但是每个线程都包含自己的指令地址计数器和寄存器状态，也有自己独立的执行路径。所以尽管线程束中的线程同时从同一程序地址执行，但是可能具有不同的行为，比如遇到了分支结构，一些线程可能进入这个分支，但是另外一些有可能不执行，它们只能死等，因为GPU规定线程束中所有线程在同一周期执行相同的指令，线程束分化会导致性能下降。
  • 当线程块被划分到某个SM上时，它将进一步划分为多个线程束，因为这才是SM的基本执行单元，但是一个SM同时并发的线程束数是有限的。这是因为资源限制，SM要为每个线程块分配共享内存，而也要为每个线程束中的线程分配独立的寄存器。所以SM的配置会影响其所支持的线程块和线程束并发数量。总之，就是网格和线程块只是逻辑划分，一个kernel的所有线程其实在物理层是不一定同时并发的。所以kernel的grid和block的配置不同，性能会出现差异，这点是要特别注意的。
    还有，由于SM的基本执行单元是包含32个线程的线程束，所以block大小一般要设置为32的倍数。