cuDNN与TensorRT：【作业】第一章

作业1.1

1. 流水线前传机制

• 流水线前传机制（Pipeline Forwarding）指的是操作数转发（Operand Forwarding）（或数据转发（Data Forwarding）），是CPU中的一种优化机制，以限制由于流水线失速（Pipeline Stall）而发生的性能缺陷。Pipeline Stall指的是当前操作，必须等待尚未完成的较早操作的结果，才能进行。

• 例子：如果下列两条汇编指令在Pipeline中运行，则在获取（Fetch）并解码（Decode）第二条指令后，Pipeline将暂停，等待第一条语句读取操作数（Read Operands），执行（Execute）ADD，并写入结果（Write Result）。

  // A=B+C
  ADD A B C
  // D=C-A
  SUB D C A
  

• 未进行Operand Forwarding的Pipeline

  1	2	3	4	5	6	7	8
  Fetch ADD	Decode ADD	Read Operands for ADD	Execute ADD	Write Result
  	Fetch SUB	Decode SUB	Stall	Stall	Read Operands for SUB	Execute SUB	Write Result

• Operand Forwarding之后的Pipeline，此时完全消除Stall

  1	2	3	4	5	6
  Fetch ADD	Decode ADD	Read Operands for ADD	Execute ADD	Write Result
  	Fetch SUB	Decode SUB	Read Operands for SUB（利用较早操作时的缓存）	Execute SUB	Write Result

• 从上述例子可见，同样的指令，经过Pipeline Forwarding之后，所需步骤缩减了，从而对应的机器周期也缩减了

2. CPU的三级缓存

• 三级缓存的特点：CPU的三级缓存是指三个层级的高速缓存，其作用是进一步降低内存的延迟，同时提升大量数据计算时的性能。它通常分为大小不等的三个层级，分别是L1 Cache、L2 Cache和L3 Cache。其中L3 Cache是多个核心共享的。程序执行时，会先将内存中的数据加载到共享的L3 Cache中，再加载到每个核心独有的L2 Cache，最后进入到最快的L1 Cache，之后才会被CPU读取
• 不同缓存适合存储哪些内容：L1 Cache分为L1i和L1d，分别用来存储指令和数据。L2 Cache是不区分指令和数据的。L3 Cache多个核心共用一个，通常也不区分指令和数据
• 最基本的使用是：数据从RAM流向L3 Cache，然后是L2 Cache，最后是L1 Cache。当处理器寻找执行操作所需的数据时，它首先尝试在L1 Cache中查找它，如果CPU找到了它，则称为高速缓存命中。然后再在L2 Cache和L3 Cache中查找

3. 什么样的问题适合GPU

• 大量数据并行计算，比如图形渲染、深度学习、科学模拟
• 所谓并行计算，指的是对大量数据进行相同或者相似的计算
• 对于GPU而言，读取数据到它的显存上，是最为耗时的，但是对显存上的数据进行并行计算，延时极小，且几乎不随数据规模变化而变化

作业1.2

1. 线程束（warp）

• 线程束是如何在软件和硬件端执行的：
  • 从硬件上看，GPU最基本的处理单元是流处理器（SP），它也被称为CUDA核心，每个SP具有自己的寄存器（Register）和局部内存（Local Memory），不可被其他SP使用。一个流多处理器（SM）由多个CUDA核心组成，每个SM根据GPU架构不同有不同数量的CUDA核心，每个SM具有自己的共享内存（Shared Memory），可被同一SM内的所有SP访问
  • 从软件上看，一个CUDA并行程序会被许多个线程来执行。数个线程会被群组成一个块（Block），同一个Block中的线程可以同步，也可以通过共享内存进行通信。多个块则会再构成网格（Grid），一个Grid对应一个设备（GPU），一个Grid执行一个核函数（Kernel）
  • SM采用SIMT架构，即单指令多线程架构。warp是最基本的执行单元，一个warp包含32个并行线程，这些线程以不同的数据资源执行相同的指令。由于warp的大小为32，所以Block所含的线程个数一般要设置为32的倍数
  • 当一个Kernel被执行时，Grid中的Block被分配到SM上，一个Block的线程只能在一个SM上调度。SM一般可以调度多个Block，大量的线程可能被分到不同的SM上
• 为什么说线程束是执行核函数的最基本单元：因为SM采用SIMT架构，即单指令多线程架构。而一个warp包含32个并行线程，这些线程以不同的数据资源执行相同的指令，因此同一个warp内的线程无法执行不同的指令，从而在SIMT架构下，warp是执行Kernel的最基本单元

2. 线程ID（Thread ID）

• 计算下图中Thread（3,0,0）的Thread ID：设坐标顺序是（x,y,z），水平向右为x，竖直向下为y，垂直向里为z
  $$\begin{array}{rl}grid1\text{-}shape& =(2,2)\\ block11\text{-}shape& =(4,2,2)\\ block\text{-}index& =(1,1)\\ thread\text{-}index& =(3,0,0)\end{array}$$
  $$\begin{array}{rl}thread\text{-}id.x& =block\text{-}index.x\ast block11\text{-}shape.x+thread\text{-}index.x=7\\ thread\text{-}id.y& =block\text{-}index.y\ast block11\text{-}shape.y+thread\text{-}index.y=2\\ thread\text{-}id.z& =thread\text{-}index.z=0\end{array}$$