CUDA：英偉達(dá)最深的護(hù)城河，加速計(jì)算行業(yè)發(fā)展的時(shí)代引擎！

CUDA為GPU賦予了新的使命，推進(jìn)計(jì)算行業(yè)快速發(fā)展，讓計(jì)算從“CPU處理”時(shí)代向CPU與GPU“協(xié)同處理”時(shí)代邁進(jìn)。今天讓我一起來(lái)聊一聊加速計(jì)算行業(yè)發(fā)展的時(shí)代引擎--CUDA！

一、CUDA提出背景：發(fā)揮GPU強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，拓展GPU應(yīng)用場(chǎng)景

2006年，英偉達(dá)推出殺手級(jí)產(chǎn)品-GeForce 7300GT，精準(zhǔn)定位中低端GPU市場(chǎng)，其憑借超高性價(jià)比成功擊敗老對(duì)手的ATi Radeon X1600。

憑借GeForce 7300GT的成功，英偉達(dá)在圖形處理市場(chǎng)份額持續(xù)攀升，截至2006年底，其市場(chǎng)份額超過(guò)70%，占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先地位。

但英偉達(dá)并不滿足于圖形處理市場(chǎng)的成功，想為GPU開(kāi)拓更多的應(yīng)用場(chǎng)景，讓其充分發(fā)揮并行計(jì)算能力強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，使其不再局限于“圖形處理”領(lǐng)域。

想要實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法并不容易，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的GPU和CPU之間存在著很大的差異：首先，GPU和CPU之間使用PCIe接口來(lái)通信，這個(gè)接口的帶寬低和延遲高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸效率很差。其次，GPU和CPU之間使用不同的內(nèi)存空間和管理方式，導(dǎo)致內(nèi)存訪問(wèn)和同步復(fù)雜。最重要的是，GPU和CPU之間使用不同的指令集和編程模型，導(dǎo)致程序開(kāi)發(fā)和移植困難。同時(shí)，由于GPU和CPU之間使用不同的調(diào)度和執(zhí)行機(jī)制，導(dǎo)致任務(wù)分配和協(xié)調(diào)困難。

為了解決這些問(wèn)題，NVIDIA需要找到一個(gè)合作伙伴，一個(gè)能夠提供強(qiáng)大的CPU，并且愿意支持NVIDIA的想法的合作伙伴。當(dāng)時(shí)的英特爾已經(jīng)是CPU市場(chǎng)的霸主，它擁有強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和市場(chǎng)影響力。但同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如：摩爾定律的瓶頸，功耗墻的限制，多核心擴(kuò)展的困難，新興領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，即科學(xué)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、密碼學(xué)等領(lǐng)域?qū)PU提出了更高的要求。英特爾也在尋找一種新的技術(shù)方案，一種可以提高CPU性能、降低CPU功耗、增強(qiáng)CPU并行性、拓展CPU應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)方案。2006年，由英偉達(dá)首席科學(xué)家David Kirk親自帶隊(duì)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于英偉達(dá) GPU 平臺(tái)上面定制的特殊計(jì)算體系/算法?- CUDA（Compute Unified Device Architecture，統(tǒng)一計(jì)算架構(gòu)）！它讓GPU和CPU通過(guò)一種全新的方式實(shí)現(xiàn)高效地交換數(shù)據(jù)，它使GPU不僅能處理圖形任務(wù)，還能處理通用計(jì)算任務(wù)，擴(kuò)展GPU在科學(xué)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、密碼學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用。2006年，英偉達(dá)和英特爾達(dá)成了一項(xiàng)歷史性的合作協(xié)議，他們共同開(kāi)發(fā)了一種基于CUDA的新型GPU，即G80 GPU（GeForce 8800 GTX）。

二、CUDA魔法加持：GPU計(jì)算效率實(shí)現(xiàn)最大化

CUDA本身是一種并行計(jì)算平臺(tái)和編程模型，其編程語(yǔ)言是一種“類(lèi)C語(yǔ)言”，兼容C語(yǔ)言，CUDA編程語(yǔ)言和C語(yǔ)言差異并不大，非常適合普通開(kāi)發(fā)者使用。CUDA改進(jìn)了DRAM的讀寫(xiě)靈活性，使得GPU與CPU的機(jī)制相吻合，同時(shí)，CUDA也提供了片上（on-chip）共享內(nèi)存，使得線程之間可以共享數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序可以利用共享內(nèi)存來(lái)減少DRAM的數(shù)據(jù)傳送，減少對(duì)DRAM內(nèi)存帶寬的依賴。在CUDA的加持下GPU計(jì)算效率實(shí)現(xiàn)最大化，從而幫助GPU擴(kuò)展到所有適合并行計(jì)算的領(lǐng)域，GPU也逐漸成為了GPGPU。下面我們通過(guò)一個(gè)具體例子來(lái)說(shuō)明CPU、GPU 與CUDA優(yōu)化的GPU運(yùn)算能力的差異。

當(dāng)我們要算100次從1到100的加法：如果使用一個(gè)4線程的CPU，CPU需要進(jìn)行100/4*100=2500次計(jì)算。如果使用一個(gè)1000線程的GPU，GPU需要進(jìn)行100/1000*100=10次計(jì)算。如果使用CUDA優(yōu)化的英偉達(dá)的GPU，它能提供優(yōu)化算法的“1+100，2+99的這種利用首尾相加再除以2”的方法來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算，那么使用CUDA優(yōu)化的GPU只需要100/1000*100/5=2 次計(jì)算。相比CPU，采用CUDA優(yōu)化的GPU計(jì)算效率提升了近百倍。相比普通GPU，CUDA優(yōu)化的GPU計(jì)算效率也提升了5倍，所以，即便競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的GPU在硬件參數(shù)上比肩英偉達(dá)GPU，但缺少CUDA的優(yōu)化，其計(jì)算效率還是無(wú)法比肩英偉達(dá)GPU。

三、CUDA架構(gòu)組成：開(kāi)發(fā)庫(kù)、運(yùn)行期環(huán)境和驅(qū)動(dòng)

從體系結(jié)構(gòu)的組成來(lái)說(shuō)，CUDA包含了三個(gè)部分：開(kāi)發(fā)庫(kù)、運(yùn)行期環(huán)境和驅(qū)動(dòng)。

1.開(kāi)發(fā)庫(kù)

它是基于CUDA所提供的應(yīng)用開(kāi)發(fā)庫(kù)。以CUDA 1.1為例，它提供了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)運(yùn)算庫(kù)——CUFFT（離散快速傅立葉變換）和CUBLAS（離散基本線性計(jì)算）的實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算庫(kù)所解決的是典型的大規(guī)模的并行計(jì)算問(wèn)題，也是在密集數(shù)據(jù)計(jì)算中非常常見(jiàn)的計(jì)算類(lèi)型。開(kāi)發(fā)人員可以在開(kāi)發(fā)庫(kù)基礎(chǔ)上快速、方便的建立起自己的計(jì)算應(yīng)用。此外，開(kāi)發(fā)人員也可以在CUDA的技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)出更多的開(kāi)發(fā)庫(kù)。

2.運(yùn)行期環(huán)境

它提供了應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口和運(yùn)行期組件，包括基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的定義和各類(lèi)計(jì)算、類(lèi)型轉(zhuǎn)換、內(nèi)存管理、設(shè)備訪問(wèn)和執(zhí)行調(diào)度等函數(shù)?；贑UDA開(kāi)發(fā)的程序代碼在實(shí)際執(zhí)行中分為兩種，一種是運(yùn)行在CPU上的宿主代碼（Host Code），一種是運(yùn)行在GPU上的設(shè)備代碼（Device Code）。由于不同類(lèi)型的代碼運(yùn)行的物理位置不同，以及訪問(wèn)到的資源不同，因此對(duì)應(yīng)的運(yùn)行期組件也分為公共組件、宿主組件和設(shè)備組件三個(gè)部分，基本上囊括了所有在GPGPU開(kāi)發(fā)中所需要的功能和能夠使用到的資源接口，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)運(yùn)行期環(huán)境的編程接口實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型的計(jì)算。

3.驅(qū)動(dòng)

基于CUDA開(kāi)發(fā)的應(yīng)用必須有NVIDIA CUDA-enable的硬件支持，而不同版本GPU之間存在差異，因此驅(qū)動(dòng)部分基本上可以理解為是CUDA-enable的GPU的設(shè)備抽象層，提供硬件設(shè)備的抽象訪問(wèn)接口。CUDA提供運(yùn)行期環(huán)境也是通過(guò)這一層來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。

四、CUDA推廣策略：完全免費(fèi)使用，不求短期回報(bào)，快速占領(lǐng)市場(chǎng)

英偉達(dá)CEO黃仁極具遠(yuǎn)見(jiàn)，將拓展GPU應(yīng)用領(lǐng)域作為公司首要任務(wù)。因此，CUDA推出后完全免費(fèi)，不求短期回報(bào)，完全推廣的策略，使CUDA平臺(tái)開(kāi)發(fā)者快速增長(zhǎng)，同時(shí)也幫助英偉達(dá)在AI市場(chǎng)搶占先機(jī)。英偉達(dá)大力支持CUDA系統(tǒng)在AI及相關(guān)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與推廣，早在2006年，英偉達(dá)每年投入高達(dá)5億美元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)（全年?duì)I收 30 億美元），對(duì)CUDA進(jìn)行持續(xù)更新與優(yōu)化?，并讓當(dāng)時(shí)美國(guó)大學(xué)與科研機(jī)構(gòu)免費(fèi)使用，這讓CUDA迅速在AI以及通用計(jì)算領(lǐng)域開(kāi)花結(jié)果。

五、CUDA發(fā)展歷程：持續(xù)演進(jìn)與優(yōu)化，革命從未停止

為了讓廣大開(kāi)發(fā)者更方便的使用GPU的計(jì)算能力，英偉達(dá)不斷優(yōu)化CUDA開(kāi)發(fā)庫(kù)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。從2006年發(fā)布至今，共發(fā)布了12個(gè)大版本，52個(gè)小版本，經(jīng)過(guò)英偉達(dá)持續(xù)地更與新迭代，CUDA功能與性能進(jìn)一步優(yōu)化、兼容性不斷調(diào)整、支持更多計(jì)算架構(gòu)、錯(cuò)誤得到修復(fù)、穩(wěn)定性逐步改善。

1.功能增強(qiáng)

CUDA的每個(gè)新版本都會(huì)帶來(lái)一些新功能或API。例如，CUDA 10引入了一個(gè)全新的任務(wù)圖功能，它允許用戶將一系列的任務(wù)（例如內(nèi)核、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋┙M織成一個(gè)圖形，從而提高執(zhí)行效率。而CUDA 11則引入了新的編程模型和庫(kù)功能。

2.性能提升

隨著版本升級(jí)，CUDA性能持續(xù)不斷地優(yōu)化，以提高運(yùn)行速度和效率。例如，CUDA 9引入了Cooperative Groups（一個(gè)新的編程模型），可以幫助開(kāi)發(fā)者更容易地編寫(xiě)并行和并發(fā)代碼。

3.兼容性調(diào)整

每個(gè)新版本對(duì)舊版編譯的代碼的兼容性有所不同。有些新版本可能不再支持一些舊版本的特性，或者對(duì)某些API的行為進(jìn)行了修改。

4.錯(cuò)誤修復(fù)和穩(wěn)定性改進(jìn)

每一個(gè)新版本的CUDA都會(huì)修復(fù)一些已知的錯(cuò)誤，并且提高CUDA的穩(wěn)定性和可靠性。這些改進(jìn)使得新版本的CUDA在實(shí)際使用中更加穩(wěn)定，可以處理更多的任務(wù)。

5.支持更多計(jì)算架構(gòu)

每個(gè)CUDA版本都支持一系列的計(jì)算架構(gòu)，隨著版本的升級(jí)，支持的計(jì)算架構(gòu)列表也會(huì)更新。有些新的計(jì)算價(jià)格可能只在新版本的CUDA中得到支持。例如：CUDA8.0，9.x，10.x。

CUDA8.0：● 費(fèi)米 （Fermi，GTX580）●?開(kāi)普勒（Kepler，GTX680，GTX780Ti，GTX Titan，Titan Z，Tesla K80）●?麥克斯韋（Maxwell，GTX980Ti，Titan X，Tesla M40）●?帕斯卡（Pascal，GTX1080Ti，Titan Xp，Tesla P100）

CUDA9.x：●?開(kāi)普勒（Kepler，GTX680，GTX780Ti，GTX Titan，Titan Z，Tesla K80）●?麥克斯韋（Maxwell，GTX980Ti，Titan X，Tesla M40）●?帕斯卡（Pascal，GTX1080Ti，Titan Xp，Tesla P100）●?伏特（Volta，Titan V，Tesla V100）

CUDA10.x：●?開(kāi)普勒（Kepler，GTX680，GTX780Ti，GTX Titan，Titan Z，Tesla K80）●?麥克斯韋（Maxwell，GTX980Ti，Titan X，Tesla M40）●?帕斯卡（Pascal，GTX1080Ti，Titan Xp，Tesla P100）●?伏特（Volta，Titan V，Tesla V100）●?圖靈（Turing，RTX2080Ti，Titan RTX，Tesla T4）經(jīng)過(guò)多年優(yōu)化與迭代，CUDA已經(jīng)形成獨(dú)特軟硬件配合的生態(tài)系統(tǒng)，為英偉達(dá)GPU產(chǎn)品構(gòu)建了極深的護(hù)城河。

六、CUDA應(yīng)用場(chǎng)景：從圖形處理到科學(xué)計(jì)算，持續(xù)探索創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域

時(shí)至今日，支持CUDA的GPU銷(xiāo)量已經(jīng)超過(guò)1億，成千上萬(wàn)的軟件開(kāi)發(fā)人員使用免費(fèi)的CUDA軟件開(kāi)發(fā)工具來(lái)解決各種應(yīng)用程序中的問(wèn)題，而這些應(yīng)用程序從視頻與音頻處理和物理效果模擬到石油天然氣勘探、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)成像以及科學(xué)研究，涵蓋了各個(gè)領(lǐng)域。

1.圖形渲染與視覺(jué)效果作為GPU技術(shù)的基石，CUDA不僅加速了3D圖形渲染，還促進(jìn)了電影特效、建筑設(shè)計(jì)可視化、游戲開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)渲染和物理模擬。

2.深度學(xué)習(xí)與人工智能CUDA是推動(dòng)深度學(xué)習(xí)革命的關(guān)鍵技術(shù)之一。它支持諸如TensorFlow、PyTouch等主流深度學(xué)習(xí)框架，加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和推理過(guò)程，廣泛應(yīng)用于圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等AI應(yīng)用。

3.科學(xué)計(jì)算與工程模擬在物理與化學(xué)模擬、氣候研究、天文學(xué)、生物信息學(xué)等領(lǐng)域，CUDA被用來(lái)加速?gòu)?fù)雜的數(shù)值計(jì)算和模擬過(guò)程，例如分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件AMBER就利用CUDA來(lái)加速新藥的研發(fā)（AMBER 是一款分子動(dòng)力學(xué)模擬程序，全世界在學(xué)術(shù)界與制藥企業(yè)中有超過(guò)60,000名研究人員使用該程序來(lái)加速新藥的探索工作）。

4.高性能計(jì)算與大數(shù)據(jù)處理在超級(jí)計(jì)算中心，CUDA被用于構(gòu)建高性能計(jì)算集群，例如德國(guó)、波蘭、日本的量子計(jì)算中心采用CUDA-Q平臺(tái)推進(jìn)量子計(jì)算研究。另一方面，CUDA加速了大數(shù)據(jù)的清洗、轉(zhuǎn)換、分析流程，極大地提升了數(shù)據(jù)科學(xué)家和分析師的工作效率。CUDA賦予GPU新的生命！它讓GPU不再只是一個(gè)圖像加速處理器，而是成為一個(gè)通用計(jì)算器。它讓開(kāi)發(fā)者不再只是一個(gè)游戲開(kāi)發(fā)者，而是一個(gè)工程師、科學(xué)家、藝術(shù)家。