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CUDA - Shared Memory

热度:1082   发布时间:2016-04-29 10:43:16.0
CUDA ---- Shared Memory

CUDA SHARED MEMORY

shared memory在之前的博文有些介绍,这部分会专门讲解其内容。在global Memory部分,数据对齐和连续是很重要的话题,当使用L1的时候,对齐问题可以忽略,但是非连续的获取内存依然会降低性能。依赖于算法本质,某些情况下,非连续访问是不可避免的。使用shared memory是另一种提高性能的方式。

GPU上的memory有两种:

· On-board memory

· On-chip memory

global memory就是一块很大的on-board memory,并且有很高的latency。而shared memory正好相反,是一块很小,低延迟的on-chip memory,比global memory拥有高得多的带宽。我们可以把他当做可编程的cache,其主要作用有:

· An intra-block thread communication channel 线程间交流通道

· A program-managed cache for global memory data可编程cache

· Scratch pad memory for transforming data to improve global memory access patterns

本文主要涉及两个例子作解释:reduction kernel,matrix transpose kernel。

shared memory(SMEM)是GPU的重要组成之一。物理上,每个SM包含一个当前正在执行的block中所有thread共享的低延迟的内存池。SMEM使得同一个block中的thread能够相互合作,重用on-chip数据,并且能够显著减少kernel需要的global memory带宽。由于APP可以直接显式的操作SMEM的内容,所以又被称为可编程缓存。

由于shared memory和L1要比L2和global memory更接近SM,shared memory的延迟比global memory低20到30倍,带宽大约高10倍。

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当一个block开始执行时,GPU会分配其一定数量的shared memory,这个shared memory的地址空间会由block中的所有thread 共享。shared memory是划分给SM中驻留的所有block的,也是GPU的稀缺资源。所以,使用越多的shared memory,能够并行的active就越少。

关于Program-Managed Cache:在C语言编程里,循环(loop transformation)一般都使用cache来优化。在循环遍历的时候使用重新排列的迭代顺序可以很好利用cache局部性。在算法层面上,我们需要手动调节循环来达到令人满意的空间局部性,同时还要考虑cache size。cache对于程序员来说是透明的,编译器会处理所有的数据移动,我们没有能力控制cache的行为。shared memory则是一个可编程可操作的cache,程序员可以完全控制其行为。

Shared Memory Allocation

我们可以动态或者静态的分配shared Memory,其声明即可以在kernel内部也可以作为全局变量。

其标识符为:__shared__

下面这句话静态的声明了一个2D的浮点型数组:

__shared__ float tile[size_y][size_x];

如果在kernel中声明的话,其作用域就是kernel内,否则是对所有kernel有效。如果shared Memory的大小在编译器未知的话,可以使用extern关键字修饰,例如下面声明一个未知大小的1D数组:

extern __shared__ int tile[];

由于其大小在编译器未知,我们需要在每个kernel调用时,动态的分配其shared memory,也就是最开始提及的第三个参数:

kernel<<<grid, block, isize * sizeof(int)>>>(...)

应该注意到,只有1D数组才能这样动态使用。

Shared Memory Banks and Access Mode

之前博文对latency和bandwidth有了充足的研究,而shared memory能够用来隐藏由于latency和bandwidth对性能的影响。下面将解释shared memory的组织方式,以便研究其对性能的影响。

Memory Banks

为了获得高带宽,shared Memory被分成32(对应warp中的thread)个相等大小的内存块,他们可以被同时访问。不同的CC版本,shared memory以不同的模式映射到不同的块(稍后详解)。如果warp访问shared Memory,对于每个bank只访问不多于一个内存地址,那么只需要一次内存传输就可以了,否则需要多次传输,因此会降低内存带宽的使用。

Bank Conflict

当多个地址请求落在同一个bank中就会发生bank conflict,从而导致请求多次执行。硬件会把这类请求分散到尽可能多的没有conflict的那些传输操作 里面,降低有效带宽的因素是被分散到的传输操作个数。

warp有三种典型的获取shared memory的模式:

· Parallel access:多个地址分散在多个bank。

· Serial access:多个地址落在同一个bank。

· Broadcast access:一个地址读操作落在一个bank。

Parallel access是最通常的模式,这个模式一般暗示,一些(也可能是全部)地址请求能够被一次传输解决。理想情况是,获取无conflict的shared memory的时,每个地址都在落在不同的bank中。

Serial access是最坏的模式,如果warp中的32个thread都访问了同一个bank中的不同位置,那就是32次单独的请求,而不是同时访问了。

Broadcast access也是只执行一次传输,然后传输结果会广播给所有发出请求的thread。这样的话就会导致带宽利用率低。

下图是最优情况的访问图示:

image

下图一种随机访问,同样没有conflict:

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下图则是某些thread访问到同一个bank的情况,这种情况有两种行为:

· Conflict-free broadcast access if threads access the same address within a bank

· Bank conflict access if threads access different addresses within a bank

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Access Mode

根据不同的CC版本,bank的配置也不同,具体为:

· 4 bytes for devices of CC 2.x

· 8 bytes for devices of CC3.x

对于Fermi,一个bank是4bytes。每个bank的带宽是32bits每两个cycle。连续的32位字映射到连续的bank中,也就是说,bank的索引和shared memory地址的映射关系如下:

bank index = (byte address ÷ 4 bytes/bank) % 32 banks

下图是Fermi的地址映射关系,注意到,bank中每个地址相差32,相邻的word分到不同的bank中以便使warp能够获得更多的并行获取内存操作(获取连续内存时,连续地址分配到了不同bank中)。

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当同一个warp的两个thread要获取同一个地址(注意是同一个地址还是同一个bank)的时候并不发生bank conflict。对于读操作,会用一次transaction获得结果后广播给所有请求,当写操作时,只有一个thread会真正去写,但是哪个thread执行了写是无法知道的(undefined)。

在8bytes模式中,同理4bytes,连续的64-bits字会映射到连续的bank。每个bank带宽是64bite/1个clock。其映射关系公式:

bank index = (byte address ÷ 8 bytes/bank) % 32 banks

这里,如果两个thread访问同一个64-bit中的任意一个两个相邻word(1byte)也不会导致bank conflict,因为一次64-bit(bank带宽64bit/cycle)的读就可以满足请求了。也就是说,同等情况下,64-bit模式一般比32-bit模式更少碰到bank conflict。

下图是64-bit的关系图。尽管word0和word32都在bank0中,同时读这两个word也不会导致bank conflict(64-bit/cycle):

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下图是64-bit模式下,conflict-free的情况,每个thread获取不同的bank:

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下图是另一种conflict-free情况,两个thread或获取同一个bank中的word:

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下图红色箭头是bank conflict发生的情况:

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Memory Padding

memory padding是一种避免bank conflict的方法,如下图所示,所有的thread分别访问了bank0的五个不同的word,这时就会导致bank conflict,我们采取的方法就是在每N(bank数目)个word后面加一个word,这样就如下面右图那样,原本bank0的每个word转移到了不同的bank中,从而避免了bank conflict。

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增加的这写word不会用来存储数据,其唯一的作用就是移动原始bank中的word,使用memory padding会导致block可获得shared memory中有用的数量减少。还有就是,要重新计算数组索引来获取正确的数据元素。

Access Mode Configuration

对Kepler来说,默认情况是4-byte模式,可以用下面的API来查看:

cudaError_t cudaDeviceGetSharedMemConfig(cudaSharedMemConfig *pConfig);

返回结果放在pConfig中,其结果可以是下面两种:

cudaSharedMemBankSizeFourByte

cudaSharedMemBankSizeEightByte

可以使用下面的API来设置bank的大小:

cudaError_t cudaDeviceSetSharedMemConfig(cudaSharedMemConfig config);

bank的配置参数如下三种:

cudaSharedMemBankSizeDefault

cudaSharedMemBankSizeFourByte

cudaSharedMemBankSizeEightByte

在其启动不同的kernel之间修改bank配置会有一个隐式的device同步。修改shared memory的bank大小不会增加shared memory的利用或者影响kernel的Occupancy,但是对性能是一个主要的影响因素。一个大的bank会产生较高的带宽,但是鉴于不同的access pattern,可能导致更多的bank conflict。

Synchronization

因为shared Memory可以被同一个block中的不同的thread同时访问,当同一个地址的值被多个thread修改就导致了inter-thread conflict,所以我们需要同步操作。CUDA提供了两类block内部的同步操作,即:

· Barriers

· Memory fences

对于barrier,所有thread会等待其他thread到达barrier point;对于Memory fence,所有thread会阻塞到所有修改Memory的操作对其他thread可见,下面解释下CUDA需要同步的主要原因:weakly-ordered。

Weakly-Ordered Memory Model

现代内存架构有非常宽松的内存模式,也就是意味着,Memory的获取不必按照程序中的顺序来执行。CUDA采用了一种叫做weakly-ordered Memory model来获取更激进的编译器优化。

GPU thread写数据到不同的Memory的顺序(比如shared Memory,global Memory,page-locked host memory或者另一个device上的Memory)同样没必要跟程序里面顺序呢相同。一个thread的读操作的顺序对其他thread可见时也可能与实际上执行写操作的thread顺序不一致。

为了显式的强制程序以一个确切的顺序运行,就需要用到fence和barrier。他们也是唯一能保证kernel对Memory有正确的行为的操作。

Explicit Barrier

同步操作在我们之前的文章中也提到过不少,比如下面这个:

void __syncthreads();

__syncthreads就是作为一个barrier point起作用,block中的thread必须等待所有thread都到达这个point后才能继续下一步。这也保证了所有在这个point之前获取global Memory和shared Memory的操作对同一个block中所有thread可见。__syncthreads被用来协作同一个block中的thread。当一些thread获取Memory相同的地址时,就会导致潜在的问题(读后写,写后读,写后写)从而引起未定义行为状态,此时就可以使用__syncthreads来避免这种情况。

使用__syncthreads要相当小心,只有在所有thread都会到达这个point时才可以调用这个同步,显而易见,如果同一个block中的某些thread永远都到达该点,那么程序将一直等下去,下面代码就是一种错误的使用方式:

if (threadID % 2 == 0) {    __syncthreads();    } else {        __syncthreads();}        

Memory Fence

这种方式保证了任何在fence之前的Memory写操作对fence之后thread都可见,也就是,fence之前写完了,fence之后其它thread就都知道这块Memory写后的值了。fence的设置范围比较广,分为:block,grid和system。

可以通过下面的API来设置fence:

void __threadfence_block();

看名字就知道,这个函数是对应的block范围,也就是保证同一个block中thread在fence之前写完的值对block中其它的thread可见,不同于barrier,该function不需要所有的thread都执行。

下面是grid范围的API,作用同理block范围,把上面的block换成grid就是了:

void __threadfence();

下面是system的,其范围针对整个系统,包括device和host:

void __threadfence_system();

Volatile Oualifier

声明一个使用global Memory或者shared Memory的变量,用volatile修饰符来修饰该变量的话,会组织编译器做一个该变量的cache的优化,使用该修饰符后,编译器就会认为该变量可能在某一时刻被别的thread改变,如果使用cache优化的话,得到的值就缺乏时效,因此使用volatile强制每次都到global 或者shared Memory中去读取其绝对有效值。

CHECKING THE DATA LAYOUT OF SHARED MEMORY

该部分会试验一些使用shared Memory的例子,包括以下几个方面:

· 方阵vs矩阵数组

· Row-major vs column-major access

· 静态vs动态shared Memory声明

· 全局vs局部shared Memory

· Memory padding vs no Memory padding

我们在设计使用shared Memory的时候应该关注下面的信息:

· Mapping data elements across Memory banks

· Mapping from thread index to shared Memory offset

搞明白这两点,就可以掌握shared Memory的使用了,从而构建出牛逼的代码。

Square Shared Memory

下图展示了一个每一维度有32个元素并以row-major存储在shared Memory,图的最上方是该矩阵实际的一维存储图示,下方的逻辑的二维shared Memory:

image

我们可以使用下面的语句静态声明一个2D的shared Memory变量:

__shared__ int tile[N][N];

可以使用下面的方式来数据,相邻的thread获取相邻的word:

tile[threadIdx.y][threadIdx.x]

tile[threadIdx.x][threadIdx.y]

上面两种方式哪个更好呢?这就需要注意thread和bank的映射关系了,我们最希望看到的是,同一个warp中的thread获取的是不同的bank。同一个warp中的thread可以使用连续的threadIdx.x来确定。不同bank中的元素同样是连续存储的,以word大小作为偏移。因此次,最好是让连续的thread(由连续的threadIdx.x确定)获取shared Memory中连续的地址,由此得知,

tile[threadIdx.y][threadIdx.x]应该展现出更好的性能以及更少的bank conflict。

Accessing Row-Major versus Column-Major

假设我们的grid有2D的block(32,32),定义如下:

#define BDIMX 32#define BDIMY 32dim3 block(BDIMX,BDIMY);dim3 grid(1,1);

我们对这个kernel有如下两个操作:

· 将thread索引以row-major写到2D的shared Memory数组中。

· 从shared Memory中读取这些值并写入到global Memory中。

kernel代码:

__global__ void setRowReadRow(int *out) {    // static shared memory    __shared__ int tile[BDIMY][BDIMX];    // 因为block只有一个    unsigned int idx = threadIdx.y * blockDim.x + threadIdx.x;    // shared memory store operation    tile[threadIdx.y][threadIdx.x] = idx;    // 这里同步是为了使下面shared Memory的获取以row-major执行    //若有的线程未完成,而其他线程已经在读shared Memory。。。    __syncthreads();    // shared memory load operation    out[idx] = tile[threadIdx.y][threadIdx.x] ;}                            

观察代码可知,我们有三个内存操作:

· 向shared Memory存数据

· 从shared Memor取数据

· 向global Memory存数据

因为在同一个warp中的thread使用连续的threadIdx.x来检索title,该kernel是没有bank conflict的。如果交换上述代码threadIdx.y和threadIdx.x的位置,就变成了column-major的顺序。每个shared Memory的读写都会导致Fermi上32-way的bank conflict或者在Kepler上16-way的bank conflict。

__global__ void setColReadCol(int *out) {    // static shared memor    __shared__ int tile[BDIMX][BDIMY];    // mapping from thread index to global memory index    unsigned int idx = threadIdx.y * blockDim.x + threadIdx.x;    // shared memory store operation    tile[threadIdx.x][threadIdx.y] = idx;    // wait for all threads to complete    __syncthreads();    // shared memory load operation    out[idx] = tile[threadIdx.x][threadIdx.y];}            

编译运行:

$ nvcc checkSmemSquare.cu –o smemSquare$ nvprof ./smemSquare

在Tesla K40c(4-byte模式)上的结果如下,正如我们所想的,row-major表现要出色:

./smemSquare at device 0 of Tesla K40c with Bank Mode:4-byte<<< grid (1,1) block (32,32)>>Time(%) Time Calls Avg Min Max Name13.25% 2.6880us 1 2.6880us 2.6880us 2.6880us setColReadCol(int*)11.36% 2.3040us 1 2.3040us 2.3040us 2.3040us setRowReadRow(int*)

然后使用nvprof的下面的两个参数来衡量相应的bank-conflict:

shared_load_transactions_per_request

shared_store_transactions_per_request

结果如下,row-major只有一次transaction:

Kernel:setColReadCol (int*)1 shared_load_transactions_per_request 16.0000001 shared_store_transactions_per_request 16.000000Kernel:setRowReadRow(int*)1 shared_load_transactions_per_request 1.0000001 shared_store_transactions_per_request 1.000000Writing Row-Major and Reading Column-Major

本节的kernel实现以row-major写shared Memory,以Column-major读shared Memory,下图指明了这两种操作的实现:

image

kernel代码:

__global__ void setRowReadCol(int *out) {    // static shared memory    __shared__ int tile[BDIMY][BDIMX];    // mapping from thread index to global memory index    unsigned int idx = threadIdx.y * blockDim.x + threadIdx.x;    // shared memory store operation    tile[threadIdx.y][threadIdx.x] = idx;    // wait for all threads to complete    __syncthreads();    // shared memory load operation    out[idx] = tile[threadIdx.x][threadIdx.y];}                        

查看nvprof结果:

Kernel:setRowReadCol (int*)1 shared_load_transactions_per_request 16.0000001 shared_store_transactions_per_request 1.000000

写操作是没有conflict的,读操作则引起了一个16次的transaction。

Dynamic Shared Memory

正如前文所说,我们可以全局范围的动态声明shared Memory,也可以在kernel内部动态声明一个局部范围的shared Memory。注意,动态声明必须是未确定大小一维数组,因此,我们就需要重新计算索引。因为我们将要以row-major写,以colu-major读,所以就需要保持下面两个索引值:

· row_idx:1D row-major 内存的偏移

· col_idx:1D column-major内存偏移

kernel代码:

__global__ void setRowReadColDyn(int *out) {    // dynamic shared memory    extern __shared__ int tile[];    // mapping from thread index to global memory index    unsigned int row_idx = threadIdx.y * blockDim.x + threadIdx.x;    unsigned int col_idx = threadIdx.x * blockDim.y + threadIdx.y;    // shared memory store operation    tile[row_idx] = row_idx;    // wait for all threads to complete    __syncthreads();    // shared memory load operation    out[row_idx] = tile[col_idx];}            

kernel调用时配置的shared Memory:

setRowReadColDyn<<<grid, block, BDIMX * BDIMY * sizeof(int)>>>(d_C);

查看transaction:

Kernel: setRowReadColDyn(int*)1 shared_load_transactions_per_request 16.0000001 shared_store_transactions_per_request 1.000000

该结果和之前的例子相同,不过这里使用的是动态声明。

Padding Statically Declared Shared Memory

直接看kernel代码:

__global__ void setRowReadColPad(int *out) {    // static shared memory    __shared__ int tile[BDIMY][BDIMX+IPAD];    // mapping from thread index to global memory offset    unsigned int idx = threadIdx.y * blockDim.x + threadIdx.x;    // shared memory store operation    tile[threadIdx.y][threadIdx.x] = idx;    // wait for all threads to complete    __syncthreads();    // shared memory load operation    out[idx] = tile[threadIdx.x][threadIdx.y];}                            

改代码是setRowReadCol的翻版,查看结果:

Kernel: setRowReadColPad(int*)1 shared_load_transactions_per_request 1.0000001 shared_store_transactions_per_request 1.000000

正如期望的那样,load的bank_conflict已经消失。在Fermi上,只需要加上一列就可以解决bank-conflict,但是在Kepler上却不一定,这取决于2D shared Memory的大小,因此对于8-byte模式,可能需要多次试验才能得到正确结果。

 

参考书《professional cuda c programming》

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