к оглавлению

Структура графического процессора G80

  1. Модель программирования CUDA
  2. Краткие итоги
  3. Контрольные вопросы

В состав процессора G80 входят 128 вычислительных ядер (далее - нитевые ядра) общей пиковой производительностью 518 ГФлопс на тактовой частоте 1.35 ГГц, поддерживающих 12288 аппаратно управляемых потоков/нитей (рис. 5.1). Нитевые ядра объединены в 8 блоков по 16 в каждом, управляемых менеджером потоков и называемых потоковыми мультипроцессорами.

Ядра являются скалярными, что позволяет легко использовать их в вычислениях общего назначения, ведь в этом плане они ничем не отличаются от центрального процессора. В G80 вычислительные ядра объединены в группы (так называемые потоковые мультипроцессоры) по 8 ядер в каждой группе, каждая группа имеет кэш-память первого и второго уровней (причем кэш второго уровня доступен для обращения всем остальным группам) (рис. 5.2). Все восемь блоков имеют доступ к любому из шести L2-кэшей и к любому из шести массивов регистров общего назначения (РОН). Таким образом, данные, обработанные на одном процессоре, могут быть использованы другим процессором.

Общая схема архитектуры G80

Рис. 5.1. Общая схема архитектуры G80

Структура мультипроцессора

Рис. 5.2. Структура мультипроцессора

Потоковый мультипроцессор содержит 8 процессоров нитей пиковой производительностью 32 ГФлопс на частоте 1,35 ГГц с поддержкой операций с числами в формате с плавающей точкой стандарта IEEE 754. Также в него входят:

Нитевые ядра, составляющие потоковый мультипроцессор, поддерживают выполнение инструкций с плавающей точкой стандарта IEEE 754. Потоковому мультипроцессору доступен также регистровый файл размером 32 Кбайта и кэш второго уровня размером также 32Кбайта (только для чтения).

Основные операции, поддерживаемые вычислительными ядрами, следующие:

Выполнение инструкций конвейеризировано.

В состав нитевых ядер также входит блок специальных функций, который осуществляет поддержку выполнения трансцендентных функций: RCP, RSQRT, EXP2, LOG2, SIN, COS.

Блок специальных функций позволяет выполнять аппроксимацию функций при помощи квадратичной аппроксимации. Точность вычислений — порядка 22,5-24,0 бит.

Два блока специальных инструкций на потоковый процессор производят 1/4 потока инструкций.

Результаты вычислений отдельной группы потоковых процессоров записываются в кэш второго уровня и становятся доступны всем остальным группам. Таким образом, данные циркулируют внутри процессора и покидают его, только когда все вычисления завершены. Это устраняет задержки, возникающие при обращении к видеопамяти.

Блок множественных инструкций поддерживает 768 нитей, выполняющихся параллельно и объединенных в 24 пучка / группы / вэрпа (warp) нитей (по 32 нити в каждом). Над каждой нитью в пучке в один момент времени выполняется одна операция — SIMD. При этом каждый пучок нитей независим от других (над разными пучками могут выполняться различные операции — MIMD). Блок осуществляет аппаратный контроль за выполнением нитей. Конкурирующие нити могут разделять данные. Наилучшая производительность достигается, когда все нити в пучке выполняются вместе, без различий в ходе исполнения кода (рис. 5.3).

При решении прикладных задач на графическом процессоре разработчик должен предварительно разбить задачу на разделы (grids), причем один раздел представляет собой один шаг из последовательности шагов решения задачи. В разделе задачи выделяются блоки, результаты выполнения которых могут быть получены параллельно — раздел распараллеливается. В блоках выделяются элементы/нити, которые выполняются параллельно в режиме взаимодействия, — эти элементы будут соответствовать нитям, выполняющимся на нитевых ядрах (рис. 5.4).

Техника выполнения задач на графическом процессоре носит название массив взаимодействующих/конкурирующих нитей (CTA — Cooperative Threads Array). Программист определяет параметры CTA — количество нитей (от 1 до 512), размерность массива нитей (1-3), количество нитей в каждом измерении массива. Нити в CTA выполняют одну программу, каждая нить имеет свой идентификационный номер, нити разделяют данные и синхронизованы между собой. Программа использует номер нити для выбора активной нити и адресации разделяемых данных.

Объединение нитей выполнения в пучки и логика обработки пучков нитей

Рис. 5.3.  Объединение нитей выполнения в пучки и логика обработки пучков нитей

Принцип параллелизации задачи при ее решении на GPU

Рис. 5.4.  Принцип параллелизации задачи при ее решении на GPU

Нити в СТА выполняются совместно. Потоковый мультипроцессор получает идентификатор нити и контролирует ее выполнение. СТА-нити разделяют данные и результаты, как в глобальной памяти и разделяемом блоке памяти, так и при выполнении инструкций синхронизации (рис. 5.5). Хранение данных в разделяемой памяти позволяет увеличить скорость доступа процессора к данным и минимизировать количество обращений в глобальную память. Скорость доступа нитей СТА в глобальную память составляет порядка 76 Гбайт/с по интерфейсу GDDR DRAM.

Принцип параллелизации задачи при ее решении на GPU

Рис. 5.5.  Принцип параллелизации задачи при ее решении на GPU

Можно выделить следующую иерархию памяти: локальная, разделяемая и глобальная.

Локальная память (используется нитью) — распределение переменных, использование регистров. Разделяемая память применяется массивом нитей СТА для обмена данными между нитями. Глобальная память используется приложением для обмена данных между разделами задачи.

Модель программирования CUDA

Для выполнения расчетов на графических процессорах компанией NVIDIA предлагается специализированная среда программирования — CUDA (Compute Unified Device Architecture) — архитектура с унифицированными вычислениями, иногда называемая GPU Computing. Среда представляет собой надстройку над языком С, которая вводит несколько новых операторов и процедур, значительно облегчающих программирование расчетов общего назначения, а также компилятор.

Процессор выполняет последовательность т. н. программных ядер. Каждое программное ядро выполняется как раздел (grid) с блоками нитей.

Нити в блоке могут выполняться совместно, синхронизованы и разделяют одни и те же данные в разделяемой памяти. Блоки нитей выполняются как массивы взаимодействующих нитей (СТА) на потоковых мультипроцессорах (рис. 5.6).

Модель выполнения программ <a href=../alg/cuda.htm>CUDA</a>

Рис. 5.6.  Модель выполнения программ CUDA

Среда CUDA реализует технологию Single-Program Multiple-Data — SPMD, интегрируя в программе работу и процессора общего назначения, и графического процессора.

Последовательные блоки кода выполняются на процессоре общего назначения, параллельные — на графическом. Условно программа в CUDA выглядит следующим образом:

CPU Serial Code
Grid 0
GPU Parallel Kernel KernelA<<< nBlk, nTid >>>(args);
CPU Serial Code
Grid 1
GPU Parallel Kernel KernelB<<< nBlk, nTid >>>(args);
.....

Распараллеленная архитектура G80 отлично подходит для выполнения трудоемких математических задач. Большое количество скалярных потоковых процессоров (до 128, а в перспективе еще больше), использование кэш-памяти первого и второго уровней для более эффективной повторной обработки данных, аппаратный диспетчер потоков, осуществляющий оптимизацию загрузки GPU, — все эти особенности делают G80 серьезным помощником в научных расчетах высокой сложности.

Компанией NVIDIA создан проект Tesla, предназначенный для создания компактных систем для высокопроизводительных вычислений (HPC). На рис. 5.7 представлена типовая структурная схема вычислительного сервера Tesla.

Структура вычислительного сервера Tesla

Рис. 5.7.  Структура вычислительного сервера Tesla

Краткие итоги

Графические процессоры на данный момент предлагают интересное сочетание MIMD- и SIMD-подходов к обработке данных. Переход компаниями-производителями к скалярным ядрам помимо балансировки нагрузки на процессор расширяет области применения графических процессоров.

Несмотря на потоковую архитектуру, слегка ограничивающую круг эффективно решаемых задач, графические процессоры серии G80 обладают большим запасом производительности. Благодаря своей доступности в составе видеокарт они дают толчок к развитию и массовому использованию параллельного программирования.

Основной подход к программированию данных процессоров — выделение в задачах участков с относительно независимыми потоками данных.

Контрольные вопросы

  1. Опишите структуру графического процессора G80.
  2. Каковы основные вычислительные возможности нитевых ядер?
  3. Опишите структуру потокового мультипроцессора.
  4. Как должны быть организованы вычисления в процессоре G80?
  5. В чем состоят принципы организации и функционирования массива взаимодействующих нитей?
  6. Опишите в общих чертах модель программирования CUDA.
  7. В соответствии с техникой массива взаимодействующих нитей распишите один из известных вам алгоритмов численного интегрирования.
  8. Следуя рекомендациям техники массива взаимодействующих нитей, распишите вычисления цифрового фильтра с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр).
к оглавлению

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 10.11.2021 - 12:37: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:36: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от д.м.н. Александра Алексеевича Редько - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:35: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:34: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вадима Глогера, США - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 09:18: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> Волновая генетика Петра Гаряева, 5G-контроль и управление - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 09:18: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 09:16: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 09:15: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Екатерины Коваленко - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 09:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вильгельма Варкентина - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution