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GPU---並行計算利器
源於阿裏巴巴CCO《猿來如此》分享
1 GPU是什麼
如圖1所示，這台PC機與普通PC機不同的是這裏插了7張顯卡，左下角是顯卡，在中間的就是GPU芯片。顯卡的處理器稱為圖形處理器（GPU），它是顯卡的“心髒”，與CPU類似，隻不過GPU是專為執行複雜的數學和幾何計算而設計的。
GPU計算能力非常強悍，舉個例子：現在主流的i7處理器的浮點計算能力是主流的英偉達GPU處理器浮點計算能力的1/12。
圖1 顯卡與GPU
2 為什麼GPU計算能力如此強悍？
圖2對CPU與GPU中的邏輯架構進行了對比。其中Control是控製器、ALU算術邏輯單元、Cache是cpu內部緩存、DRAM就是內存。可以看到GPU設計者將更多的晶體管用作執行單元，而不是像CPU那樣用作複雜的控製單元和緩存。從實際來看，CPU芯片空間的5%是ALU，而GPU空間的40%是ALU。這也是導致GPU計算能力超強的原因。
圖2 cpu和gpu硬件邏輯結構對比
那有人講了，為什麼cpu不像gpu那樣設計呢，這樣計算能力也強悍了！
為什麼？CPU要做得很通用。CPU需要同時很好的支持並行和串行操作，需要很強的通用性來處理各種不同的數據類型，同時又要支持複雜通用的邏輯判斷，這樣會引入大量的分支跳轉和中斷的處理。這些都使得CPU的內部結構異常複雜，計算單元的比重被降低了。而GPU麵對的則是類型高度統一的、相互無依賴的大規模數據和不需要被打斷的純淨的計算環境。因此GPU的芯片比CPU芯片簡單很多。
舉個例子，假設有一堆相同的加減乘除計算任務需要處理，那把這個任務交給一堆（幾十個）小學生就可以了，這裏小學生類似於GPU的計算單元，而對一些複雜的邏輯推理等問題，比如公式推導、科技文章寫作等高度邏輯化的任務，交給小學生顯然不合適，這時大學教授更適合，這裏的大學教授就是CPU的計算單元了，大學教授當然能處理加減乘除的問題，單個教授計算加減乘除比單個小學生計算速度更快，但是成本顯然高很多。
3 GPU編程庫
GPU計算能力這麼強，被廣泛使用！比如挖礦（比特幣）、圖形圖像處理、數值模擬、機器學習算法訓練等等，那我們怎麼發揮GPU超強的計算能力呢？---編程！
怎麼進行GPU編程呢？現在GPU形形色色，比如Nvidia、AMD、Intel都推出了自己的GPU，其中最為流行的就是Nvidia的GPU，其還推出了CUDA並行編程庫。然而每個GPU生產公司都推出自己的編程庫顯然讓學習成本上升很多，因此蘋果公司就推出了標準OpenCL，說各個生產商都支持我的標準，隻要有一套OpenCL的編程庫就能對各類型的GPU芯片適用。當然了，OpenCL做到通用不是沒有代價的，會帶來一定程度的性能損失，在Nvidia的GPU上，CUDA性能明顯比OpenCL高出一大截。目前CUDA和OpenCL是最主流的兩個GPU編程庫。
從編程語言角度看，CUDA和OpenCL都是原生支持C/C++的，其它語言想要訪問還有些麻煩，比如Java，需要通過JNI來訪問CUDA或者OpenCL。基於JNI，現今有各種Java版本的GPU編程庫，比如JCUDA等。另一種思路就是語言還是由java來編寫，通過一種工具將java轉換成C。
圖3 GPU編程庫
4 CUDA程序流程
圖4 CUDA程序流程
5 實踐---以圖像處理為例
假設我們有如下圖像處理任務，給每個像素值加1。並行方式很簡單，為每個像素開一個GPU線程，由其進行加1操作。
圖5 例子
圖6 核函數
圖7 主流程函數
6 GPU加速效果
下圖是我實現的基於CUDA的P&D DEM圖像預處理算法使用GPU的加速效果，GeForce GT 330是塊普通台式機上的顯卡，現在價格也就500人民幣左右，用它達到了20倍的加速比，Tesla M2075是比較專業的顯卡，價格一萬左右，用它達到了將近百倍的加速比，這個程序i7 CPU單進程單線程要跑2個小時，而用Tesla M2075 GPU隻花了一分多鍾就完成計算。
圖8 P&D DEM圖像預處理算法加速效果
最後更新：2017-04-01 13:37:08