M

MLOG

فارسی

دنیای برنامه نویسی CUDA برای محاسبات GPU را کاوش کنید. بیاموزید که چگونه از قدرت پردازش موازی GPU های NVIDIA برای تسریع برنامه های خود استفاده کنید.

باز کردن قدرت موازی: راهنمای جامع محاسبات CUDA GPU

در تلاش بی‌وقفه برای محاسبات سریع‌تر و مقابله با مسائل پیچیده‌تر، چشم‌انداز محاسبات دستخوش تحول چشمگیری شده است. برای دهه‌ها، واحد پردازش مرکزی (CPU) پادشاه بلامنازع محاسبات همه منظوره بوده است. با این حال، با ظهور واحد پردازش گرافیکی (GPU) و توانایی قابل توجه آن در انجام هزاران عملیات به طور همزمان، عصر جدیدی از محاسبات موازی آغاز شده است. در خط مقدم این انقلاب، CUDA (معماری محاسباتی یکپارچه دستگاه) NVIDIA قرار دارد، یک پلتفرم محاسباتی موازی و مدل برنامه نویسی که توسعه دهندگان را قادر می سازد تا از قدرت پردازش عظیم GPU های NVIDIA برای کارهای عمومی استفاده کنند. این راهنمای جامع به پیچیدگی های برنامه نویسی CUDA، مفاهیم اساسی آن، کاربردهای عملی و نحوه شروع بهره برداری از پتانسیل آن می پردازد.

محاسبات GPU چیست و چرا CUDA؟

به طور سنتی، GPU ها منحصراً برای رندر کردن گرافیک طراحی شده بودند، وظیفه ای که ذاتاً شامل پردازش مقادیر زیادی داده به صورت موازی است. به رندر کردن یک تصویر با کیفیت بالا یا یک صحنه سه بعدی پیچیده فکر کنید - هر پیکسل، راس یا قطعه اغلب می تواند به طور مستقل پردازش شود. این معماری موازی، که با تعداد زیادی هسته پردازشی ساده مشخص می شود، تفاوت زیادی با طراحی CPU دارد که معمولاً دارای چند هسته بسیار قدرتمند است که برای کارهای ترتیبی و منطق پیچیده بهینه شده اند.

این تفاوت معماری باعث می شود GPU ها برای کارهایی که می توانند به بسیاری از محاسبات مستقل و کوچکتر تقسیم شوند، بسیار مناسب باشند. اینجاست که محاسبات عمومی بر روی واحدهای پردازش گرافیکی (GPGPU) وارد عمل می شود. GPGPU از قابلیت های پردازش موازی GPU برای محاسبات غیر مرتبط با گرافیک استفاده می کند و دستاوردهای عملکرد قابل توجهی را برای طیف گسترده ای از برنامه ها باز می کند.

CUDA NVIDIA برجسته‌ترین و پرکاربردترین پلتفرم برای GPGPU است. این پلتفرم یک محیط توسعه نرم‌افزاری پیچیده، از جمله زبان توسعه C/C++، کتابخانه‌ها و ابزارها را فراهم می‌کند که به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد برنامه‌هایی را بنویسند که روی GPU های NVIDIA اجرا می‌شوند. بدون چارچوبی مانند CUDA، دسترسی و کنترل GPU برای محاسبات عمومی به طرز غیرقابل تحملی پیچیده خواهد بود.

مزایای کلیدی برنامه نویسی CUDA:

درک معماری CUDA و مدل برنامه نویسی

برای برنامه نویسی موثر با CUDA، درک معماری و مدل برنامه نویسی اساسی آن بسیار مهم است. این درک پایه و اساس نوشتن کد شتاب‌دهنده GPU کارآمد و با کارایی بالا را تشکیل می‌دهد.

سلسله مراتب سخت افزار CUDA:

GPU های NVIDIA به صورت سلسله مراتبی سازماندهی شده اند:

این ساختار سلسله مراتبی برای درک نحوه توزیع و اجرای کار بر روی GPU کلیدی است.

مدل نرم افزار CUDA: هسته‌ها و اجرای میزبان/دستگاه

برنامه نویسی CUDA از یک مدل اجرای میزبان-دستگاه پیروی می کند. میزبان به CPU و حافظه مرتبط با آن اشاره دارد، در حالی که دستگاه به GPU و حافظه آن اشاره دارد.

گردش کار معمولی CUDA شامل موارد زیر است:

  1. تخصیص حافظه روی دستگاه (GPU).
  2. کپی کردن داده های ورودی از حافظه میزبان به حافظه دستگاه.
  3. راه اندازی یک هسته روی دستگاه، با تعیین ابعاد شبکه و بلوک.
  4. GPU هسته را در بسیاری از رشته ها اجرا می کند.
  5. کپی کردن نتایج محاسبه شده از حافظه دستگاه به حافظه میزبان.
  6. آزاد کردن حافظه دستگاه.

نوشتن اولین هسته CUDA: یک مثال ساده

بیایید این مفاهیم را با یک مثال ساده نشان دهیم: جمع برداری. ما می خواهیم دو بردار A و B را اضافه کنیم و نتیجه را در بردار C ذخیره کنیم. روی CPU، این یک حلقه ساده خواهد بود. روی GPU با استفاده از CUDA، هر رشته مسئول اضافه کردن یک جفت عنصر از بردارهای A و B خواهد بود.

در اینجا یک تجزیه و تحلیل ساده از کد CUDA C++ آمده است:

1. کد دستگاه (تابع هسته):

تابع هسته با تعیین کننده __global__ مشخص می شود که نشان می دهد از میزبان قابل فراخوانی است و روی دستگاه اجرا می شود.

__global__ void vectorAdd(const float* A, const float* B, float* C, int n) {
    // Calculate the global thread ID
    int tid = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;

    // Ensure the thread ID is within the bounds of the vectors
    if (tid < n) {
        C[tid] = A[tid] + B[tid];
    }
}

در این هسته:

2. کد میزبان (منطق CPU):

کد میزبان حافظه، انتقال داده و راه اندازی هسته را مدیریت می کند.


#include <iostream>

// Assume vectorAdd kernel is defined above or in a separate file

int main() {
    const int N = 1000000; // Size of the vectors
    size_t size = N * sizeof(float);

    // 1. Allocate host memory
    float *h_A = (float*)malloc(size);
    float *h_B = (float*)malloc(size);
    float *h_C = (float*)malloc(size);

    // Initialize host vectors A and B
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        h_A[i] = sin(i) * 1.0f;
        h_B[i] = cos(i) * 1.0f;
    }

    // 2. Allocate device memory
    float *d_A, *d_B, *d_C;
    cudaMalloc(&d_A, size);
    cudaMalloc(&d_B, size);
    cudaMalloc(&d_C, size);

    // 3. Copy data from host to device
    cudaMemcpy(d_A, h_A, size, cudaMemcpyHostToDevice);
    cudaMemcpy(d_B, h_B, size, cudaMemcpyHostToDevice);

    // 4. Configure kernel launch parameters
    int threadsPerBlock = 256;
    int blocksPerGrid = (N + threadsPerBlock - 1) / threadsPerBlock;

    // 5. Launch the kernel
    vectorAdd<<<blocksPerGrid, threadsPerBlock>>>(d_A, d_B, d_C, N);

    // Synchronize to ensure kernel completion before proceeding
    cudaDeviceSynchronize(); 

    // 6. Copy results from device to host
    cudaMemcpy(h_C, d_C, size, cudaMemcpyDeviceToHost);

    // 7. Verify results (optional)
    // ... perform checks ...

    // 8. Free device memory
    cudaFree(d_A);
    cudaFree(d_B);
    cudaFree(d_C);

    // Free host memory
    free(h_A);
    free(h_B);
    free(h_C);

    return 0;
}

نحو kernel_name<<<blocksPerGrid, threadsPerBlock>>>(arguments) برای راه اندازی یک هسته استفاده می شود. این پیکربندی اجرا را مشخص می کند: چند بلوک برای راه اندازی و چند رشته در هر بلوک. تعداد بلوک ها و رشته ها در هر بلوک باید به گونه ای انتخاب شوند که به طور موثر از منابع GPU استفاده شود.

مفاهیم کلیدی CUDA برای بهینه سازی عملکرد

دستیابی به عملکرد بهینه در برنامه نویسی CUDA نیازمند درک عمیق از نحوه اجرای کد توسط GPU و نحوه مدیریت موثر منابع است. در اینجا برخی از مفاهیم مهم آورده شده است:

1. سلسله مراتب حافظه و تأخیر:

GPU ها دارای یک سلسله مراتب حافظه پیچیده هستند که هر کدام دارای ویژگی های متفاوتی در مورد پهنای باند و تأخیر هستند:

بهترین روش: دسترسی ها به حافظه جهانی را به حداقل برسانید. استفاده از حافظه مشترک و ثبات ها را به حداکثر برسانید. هنگام دسترسی به حافظه جهانی، برای دسترسی های حافظه ادغام شده تلاش کنید.

2. دسترسی های حافظه ادغام شده:

ادغام زمانی رخ می دهد که رشته های داخل یک warp به مکان های پیوسته در حافظه جهانی دسترسی پیدا کنند. وقتی این اتفاق می‌افتد، GPU می‌تواند داده‌ها را در تراکنش‌های بزرگ‌تر و کارآمدتر واکشی کند و پهنای باند حافظه را به‌طور چشمگیری بهبود بخشد. دسترسی‌های غیر ادغام‌شده می‌توانند منجر به چندین تراکنش حافظه کندتر شوند و به شدت بر عملکرد تأثیر بگذارند.

مثال: در جمع برداری ما، اگر threadIdx.x به طور متوالی افزایش یابد و هر رشته به A[tid] دسترسی پیدا کند، این یک دسترسی ادغام شده است اگر مقادیر tid برای رشته ها در داخل یک warp پیوسته باشند.

3. اشغال:

اشغال به نسبت وارپ های فعال در یک SM به حداکثر تعداد وارپ هایی که یک SM می تواند پشتیبانی کند اشاره دارد. اشغال بالاتر به طور کلی منجر به عملکرد بهتر می شود زیرا به SM اجازه می دهد تا با سوئیچ کردن به وارپ های فعال دیگر زمانی که یک وارپ متوقف می شود (به عنوان مثال، منتظر حافظه)، تأخیر را پنهان کند. اشغال تحت تأثیر تعداد رشته ها در هر بلوک، استفاده از ثبات و استفاده از حافظه مشترک است.

بهترین روش: تعداد رشته‌ها در هر بلوک و استفاده از منابع هسته (ثبات‌ها، حافظه مشترک) را تنظیم کنید تا اشغال را بدون تجاوز از محدودیت‌های SM به حداکثر برسانید.

4. واگرایی وارپ:

واگرایی وارپ زمانی اتفاق می‌افتد که رشته‌ها در همان وارپ مسیرهای اجرایی مختلفی را اجرا می‌کنند (به عنوان مثال، به دلیل دستورات شرطی مانند if-else). هنگامی که واگرایی رخ می دهد، رشته ها در یک warp باید مسیرهای مربوطه خود را به صورت سریال اجرا کنند، که به طور موثر موازی سازی را کاهش می دهد. رشته های واگرا یکی پس از دیگری اجرا می شوند و رشته های غیرفعال در warp در طول مسیرهای اجرایی مربوطه خود ماسک می شوند.

بهترین روش: انشعاب شرطی را در داخل هسته‌ها به حداقل برسانید، به‌ویژه اگر انشعاب‌ها باعث شوند رشته‌های داخل یک وارپ یکسان مسیرهای مختلفی را طی کنند. الگوریتم‌ها را بازسازی کنید تا در صورت امکان از واگرایی جلوگیری شود.

5. جریان‌ها:

جریان های CUDA اجازه اجرای ناهمزمان عملیات را می دهند. به جای اینکه میزبان منتظر بماند تا یک هسته قبل از صدور دستور بعدی تکمیل شود، جریان ها امکان همپوشانی محاسبات و انتقال داده ها را فراهم می کنند. شما می توانید چندین جریان داشته باشید که به کپی های حافظه و راه اندازی هسته اجازه می دهد تا به طور همزمان اجرا شوند.

مثال: همپوشانی کپی کردن داده ها برای تکرار بعدی با محاسبات تکرار فعلی.

استفاده از کتابخانه های CUDA برای عملکرد شتاب یافته

در حالی که نوشتن هسته‌های CUDA سفارشی حداکثر انعطاف‌پذیری را ارائه می‌دهد، NVIDIA مجموعه‌ای غنی از کتابخانه‌های بسیار بهینه شده را ارائه می‌کند که بسیاری از پیچیدگی‌های برنامه‌نویسی CUDA سطح پایین را انتزاع می‌کنند. برای کارهای محاسباتی رایج، استفاده از این کتابخانه ها می تواند با تلاش توسعه بسیار کمتر، دستاوردهای عملکرد قابل توجهی را ارائه دهد.

بینش قابل اجرا: قبل از شروع به نوشتن هسته‌های خود، بررسی کنید که آیا کتابخانه‌های CUDA موجود می‌توانند نیازهای محاسباتی شما را برآورده کنند یا خیر. اغلب، این کتابخانه ها توسط متخصصان NVIDIA توسعه یافته اند و برای معماری های مختلف GPU بسیار بهینه شده اند.

CUDA در عمل: کاربردهای متنوع جهانی

قدرت CUDA در پذیرش گسترده آن در زمینه‌های متعدد در سطح جهانی مشهود است:

شروع به کار با توسعه CUDA

شروع سفر برنامه نویسی CUDA شما به چند جزء و مرحله ضروری نیاز دارد:

1. الزامات سخت افزاری:

2. الزامات نرم افزاری:

3. کامپایل کردن کد CUDA:

کد CUDA معمولاً با استفاده از کامپایلر NVIDIA CUDA (NVCC) کامپایل می شود. NVCC کد میزبان و دستگاه را از هم جدا می کند، کد دستگاه را برای معماری GPU خاص کامپایل می کند و آن را با کد میزبان پیوند می دهد. برای یک فایل .cu (فایل منبع CUDA):

nvcc your_program.cu -o your_program

همچنین می توانید معماری GPU هدف را برای بهینه سازی مشخص کنید. به عنوان مثال، برای کامپایل برای قابلیت محاسباتی 7.0:

nvcc your_program.cu -o your_program -arch=sm_70

4. اشکال زدایی و پروفایل سازی:

اشکال زدایی کد CUDA می تواند به دلیل ماهیت موازی آن چالش برانگیزتر از کد CPU باشد. NVIDIA ابزارهایی را ارائه می دهد:

چالش ها و بهترین روش ها

برنامه نویسی CUDA با وجود قدرت فوق العاده اش، با مجموعه ای از چالش های خاص خود همراه است:

خلاصه بهترین روش ها:

آینده محاسبات GPU با CUDA

تکامل محاسبات GPU با CUDA در حال انجام است. NVIDIA به فشار دادن مرزها با معماری های جدید GPU، کتابخانه های پیشرفته و بهبود مدل برنامه نویسی ادامه می دهد. افزایش تقاضا برای هوش مصنوعی، شبیه سازی های علمی و تجزیه و تحلیل داده ها تضمین می کند که محاسبات GPU و به تبع آن CUDA، برای آینده قابل پیش بینی به عنوان سنگ بنای محاسبات با کارایی بالا باقی خواهند ماند. با قدرتمندتر شدن سخت افزار و پیچیده تر شدن ابزارهای نرم افزاری، توانایی استفاده از پردازش موازی برای حل چالش برانگیزترین مشکلات جهان اهمیت بیشتری پیدا خواهد کرد.

چه محققی باشید که مرزهای علم را جابجا می کنید، چه مهندسی که سیستم های پیچیده را بهینه می کنید، یا توسعه دهنده ای که نسل بعدی برنامه های هوش مصنوعی را می سازید، تسلط بر برنامه نویسی CUDA دنیایی از امکانات را برای محاسبات شتاب یافته و نوآوری های پیشگامانه باز می کند.