CUDA基础（三）CPU架构，指令，GPU架构

一、CPU架构（指令的执行）

CPU中央处理器，负责执行用户和操作系统下发的指令。CPU只能接受01二进制语言，0和1用来控制高低电位。比如，一个加法运算，在x86处理器上的的二进制代码为：

01001000 00000001 11000011

这样一行代码被称为机器码，它执行了加法操作。除了这样的加法，CPU的电路还要实现很多其他指令，如存取内存数据，进行逻辑判断等。不同厂商的电路设计不同，在电路上所能进行的二进制码不同。某类CPU能支持一种指令集（instruction set architecture）。指令集相当于一种设计图纸，规定了一种CPU架构实现哪些指令。

参照指令集，硬件开发人员只需要关心如何设计电路，软件开发人员只关心如何用01机器码实现软件功能。比较常见的指令集有x86、ARM、MIPS、SPARC、Power等。

一个单核CPU架构包括：

Control Unit（CU）起协调管理功能。
Arithmetic Logic Unit（ALU）接受控制单元的命令，负责进行加减乘与或非运算。所有数据都存放在寄存器（Register）里。
寄存器以极高的速度与CU和ALU交互，通常小于1纳秒。从寄存器的名字可以看出来，里面的数据是临时寄存的，这些数据和指令会被ALU和CU拿来立即进行计算。如果寄存器没有CPU想要的数据，CPU会去内存或硬盘中读取。
CPU通过Bus（总线）读取内存或其他设备的数据。计算机中有多条总线。

随着技术的发展，计算机的速度瓶颈已经变成了超高速的CPU运算速度与落后的数据读取速度之间的矛盾。CPU计算速度在纳秒级别，但是CPU读取主存的速度竟有百纳秒，CPU进行完计算后，要闲置几十倍的时间，实在是巨大的浪费。为了解决这个问题，设计人员为CPU增加了很多中间缓存Cache。
CPU的寄存器存取速度极快，但是造价成本太高，发热量大，不能被大量采用。
当单个CPU主频超过一定范围后，CPU成本和散热成了很大的问题，主频很难突破10GHz。为了获得更快的计算速度和更好的性能，芯片设计者决定绕过主频，采用人海战术，在一块CPU中增加多个核心（Core）。
一个核心是一个可以运行指令的独立单元，它包含了前面所提到的ALU和寄存器，并配备L1和L2 Cache。多个核心共享L3 Cache。

高性能服务器通常可以支持多个处理器（CPU），提供更多计算核心。支持单个CPU的服务器被称为单路服务器，支持两个CPU的服务器被称为双路服务器，支持四个CPU的服务器被称为四路服务器。Intel的四路架构，系统支持四个CPU，假如每块CPU内有8个核心，系统可对外提供32核计算能力。

在多核架构出现之前，CPU在某个特定时刻只能执行某个程序，无法并行。但前文提到，CPU处理速度是纳秒级，速度非常快，所以在单核时代，为了同时处理多项任务，CPU采用不停地在多个线程任务间切换的形式实现多线程。

一个kernel实际上会启动很多线程，这些线程是逻辑上并行的，但是在物理层却并不一定。这其实和CPU的多线程有类似之处，多线程如果没有多核支持，在物理层也是无法实现并行的。逻辑上和单核CPU一样，虽然只有一个核，但是还能实现多线程。

单个CPU每次切换不同的线程任务，会产生一些资源开销。
但是随着多核多线程架构出现，又引出另外一个问题：多线程安全问题。当多个核心都处理相同任务，极有可能使用同一块数据，就有可能出现数据读写的问题：例如，进行i = i + 1操作，如果两个线程短时间内都对变量i加一，变量应该被加了两次。

由于两个线程相隔时间太短，加上前面所说的缓存机制，计算的过程和临时结果还在寄存器和L1缓存，没来得及写到主存上（缓存保存问题）。线程B读到还是较老的数据，这样就出现了数据不一致的情况。这种问题被称为线程安全问题。一般需要使用锁来处理线程安全问题。

二、语言和编译（使用指令）

编译型语言与解释型语言如何在计算机底层运行

前面说到，不同架构的CPU会适配一套指令集，而书写指令集的代码被称为机器语言或机器码。
很多时候我们使用计算机时都接触得到可执行文件（.exe文件），而可执行文件就是二进制机器语言的集合，可以被机器执行，得到我们想要的结果。

编译型语言

正是基于不同厂商有不同的指令集，催生了C语言，建立了一个更为通用的编程范式。
C语言从源代码到执行，要使用编译器来编译（compile）、汇编（assembly）并连接（link）所依赖的库，形成机器可执行文件。执行某个二进制文件时，操作系统会为程序分配内存和CPU资源。“编译”和“汇编”，相当于将C语言翻译成底层语言。另外，代码中使用了库函数printf，当我们使用别人写好的函数时，需要将这些前人写好的库函数连接到我们的可执行文件中，否则会调用函数失败的错误。我们将这种需要编译的语言称为编译型语言。编译型语言有C/C++、Fortran等。
编译、汇编、连接缺一不可，特别是连接的存在，导致不同文件编译的顺序要求严格，继而调试困难。
又由于不同操作系统下，因为架构的不同，调用各种接口的代码也会不同，继而编译过程也不相同，应用软件也就有了不同操作系统下的不同版本。

解释型语言

因为IT圈的一句名言就是：计算机科学任何领域的问题都可以通过增加一个中间层来解决。一些大牛忍受不了C语言这样编写和调试太慢，系统平台之间无法共享移植的问题，于是开始自立门户，创建了新的编程语言，最有名的要数Java和Python，这类语言不需要每次都编译，因此被称为解释型语言。matlab、R、JavaScript也是解释语言。
解释型语言一般是使用C语言等偏底层的语言做一个虚拟机或者解释器，编程人员需要先在自己的计算机上安装这个解释器，接下来就只用关心自己的源代码，其他的事情都交给解释器去做。
如果把编译型语言的编译过程比作将源代码“翻译”成机器语言的话，那么解释性语言就是同声传译。
编译型语言是一篇提前就“翻译”好的稿子，拿过来就能被读出来，这样肯定更快；解释型语言要等翻译边“听”边“翻译”，速度当然慢很多。

如果我比较贪心，又想要高效率，也不想损失可移植性和易用性呢？当前的技术为我们提供了两个方案：

1、使用编译型语言写的模块：
以Python为例，为了保证性能，大部分高性能科学计算库其实都是使用编译型语言编写的。比如numpy，用户安装numpy的包时，其实就是下载了C/C++和Fortran源代码，并在本地编译成了可执行的文件。
2、JIT(Just-In-Time) 即时编译技术
JIT把需要加速的代码编译成了机器语言，不再需要“同声传译”拖累自己了。比如在Python上调用numba库进行过JIT测试，同样的代码会有8倍以上的速度提升。而numba不仅可以编译用于CPU执行的代码，达到和C相比拟的速度，同时还可以调用GPU库（如NVIDIA的CUDA和AMD的ROCs等）来实现GPU加速，这些都可以简单的利用Python中的装饰器来实现。

三、GPU架构

在进行计算时，都需要用核心（Core）来做算术逻辑运算。核心中有ALU（逻辑运算单元）和寄存器等电路。在进行计算时，一个核心只能顺序执行某项任务。为了同时并行地处理更多任务，芯片公司开发出了多核架构，只要相互之间没有依赖，每个核心做自己的事情，多核之间互不干扰，就可以达到并行计算的效果，极大缩短计算时间。

个人桌面电脑CPU只有2到8个CPU核心，数据中心的服务器（多个CPU）上也只有20到40个左右CPU核心，GPU却有上千个核心。与CPU的核心不同，GPU的核心只能专注于某些特定的任务，但是在执行比较简单而重复的任务时，GPU的超多核心就表现出了巨大的优势。

GPU核心在做计算时，只能直接从显存中读写数据，程序员需要在代码中指明哪些数据需要从内存和显存之间相互拷贝。这些数据传输都是在总线上，因此总线的传输速度和带宽成了部分计算任务的瓶颈。也因为这个瓶颈，很多计算任务并不适合放在GPU上。比如在深度学习中，因为输入是大规模稀疏特征，GPU加速获得的收益小于数据互相拷贝的时间损失。

CPU主要从主存（Main Memory）中读写数据，并通过总线（Bus）与GPU交互。GPU除了有超多计算核心外，也有自己独立的存储，被称之为显存。
显存再往下分为什么register，shared memory，L1，啊啥的，一级一级，同理于CPU的register，L1，L2，Main Memory，Fixed Rigid Disk，Optical Disk，Magnetic Tape

ps：Cache的层次，一般有L1, L2, L3 （L是level的意思）的cache。通常来说L1，L2是集成在CPU里面的（可以称之为On-chip cache），而L3是放在CPU外面（可以称之为Off-chip cache）。
一个核心是一个可以运行指令的独立单元，它包含了前面所提到的ALU和寄存器，并配备L1和L2 Cache。多个核心共享L3 Cache。

一台服务器上可以安装多块GPU卡，但GPU卡的发热量极大，普通的空调系统难以给大量GPU卡降温，所以大型数据中心通常使用水冷散热，并且选址在温度较低的地方。

以上结构也被称为异构计算：使用CPU+GPU组合来加速计算。世界上顶尖的数据中心和超级计算机均采用了异构计算架构。例如超越天河2号成为世界第一的超级计算机Summit使用了9216个IBM POWER9 CPU和27648个英伟达Tesla GPU。

NIVIDA软件栈

英伟达能够在人工智能时代成功，除了他们在长期深耕显卡芯片领域，更重要的是他们率先提供了可编程的软件架构。2007年，英伟达发布了CUDA编程模型，软件开发人员从此可以使用CUDA在英伟达的GPU上进行并行编程。

继CUDA之后，英伟达不断丰富其软件技术栈，提供了科学计算所必须的cuBLAS线性代数库，cuFFT快速傅里叶变换库等，当深度学习大潮到来时，英伟达提供了cuDNN深度神经网络加速库，目前常用的TensorFlow、PyTorch深度学习框架的底层大多基于cuDNN库。

GPU编程可以直接使用CUDA的C/C++版本进行编程，也可以使用其他语言包装好的库，比如Python可使用Numba库调用CUDA。CUDA的编程思想在不同语言上都很相似。