CUDA-GEMM 优化技术:提升矩阵乘法性能的深度探索

RayRay
CUDAGEMM矩阵乘法GPU优化性能分析Github开源项目

CUDA-GEMM-Optimization

CUDA-GEMM优化简介

通用矩阵乘法(GEMM)是深度学习和科学计算中的核心操作之一。在NVIDIA GPU上优化GEMM性能对于提升整体计算效率至关重要。本文将详细介绍CUDA-GEMM的优化技术,从基础实现开始,逐步深入探讨各种高级优化策略。

优化基础

在开始深入优化之前,我们需要了解CUDA编程的一些基本概念:

  1. 线程层次结构:CUDA使用网格(Grid)、线程块(Block)和线程(Thread)的层次结构。
  2. 内存层次结构:包括全局内存、共享内存、寄存器等。
  3. 内存访问模式:合并访问(Coalesced Access)对性能影响很大。

这些基础知识是我们进行GEMM优化的理论基础。

GEMM优化策略

1. 内存访问优化

最基本的GEMM实现可能存在非合并的全局内存访问问题。优化的第一步是确保合并访问:

__global__ void gemm_kernel_v01(const float* A, const float* B, float* C, int M, int N, int K) { int row = blockIdx.y * blockDim.y + threadIdx.y; int col = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x; if (row < M && col < N) { float sum = 0.0f; for (int k = 0; k < K; ++k) { sum += A[row * K + k] * B[k * N + col]; } C[row * N + col] = sum; } }

这个版本实现了合并访问,性能相比基础版本有显著提升。

2. 二维块优化

接下来,我们引入二维块优化:

template <int BLOCK_SIZE> __global__ void gemm_kernel_v02(const float* A, const float* B, float* C, int M, int N, int K) { __shared__ float As[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE]; __shared__ float Bs[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE]; int bx = blockIdx.x, by = blockIdx.y; int tx = threadIdx.x, ty = threadIdx.y; int row = by * BLOCK_SIZE + ty; int col = bx * BLOCK_SIZE + tx; float sum = 0.0f; for (int i = 0; i < (K + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE; ++i) { if (row < M && i * BLOCK_SIZE + tx < K) As[ty][tx] = A[row * K + i * BLOCK_SIZE + tx]; else As[ty][tx] = 0.0f; if (col < N && i * BLOCK_SIZE + ty < K) Bs[ty][tx] = B[(i * BLOCK_SIZE + ty) * N + col]; else Bs[ty][tx] = 0.0f; __syncthreads(); for (int k = 0; k < BLOCK_SIZE; ++k) sum += As[ty][k] * Bs[k][tx]; __syncthreads(); } if (row < M && col < N) C[row * N + col] = sum; }

这个版本通过使用共享内存来减少全局内存访问,提高了计算效率。

3. 线程优化

在块优化的基础上,我们可以进一步引入线程优化:

template <int BLOCK_SIZE, int THREAD_SIZE_X, int THREAD_SIZE_Y> __global__ void gemm_kernel_v04(const float* A, const float* B, float* C, int M, int N, int K) { __shared__ float As[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE]; __shared__ float Bs[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE]; int bx = blockIdx.x, by = blockIdx.y; int tx = threadIdx.x, ty = threadIdx.y; int row = by * BLOCK_SIZE + ty; int col = bx * BLOCK_SIZE + tx; float sum[THREAD_SIZE_Y][THREAD_SIZE_X] = {0.0f}; for (int i = 0; i < (K + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE; ++i) { for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) if (row + m * blockDim.y < M && i * BLOCK_SIZE + tx + n * blockDim.x < K) As[ty + m * blockDim.y][tx + n * blockDim.x] = A[(row + m * blockDim.y) * K + i * BLOCK_SIZE + tx + n * blockDim.x]; else As[ty + m * blockDim.y][tx + n * blockDim.x] = 0.0f; for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) if (col + n * blockDim.x < N && i * BLOCK_SIZE + ty + m * blockDim.y < K) Bs[ty + m * blockDim.y][tx + n * blockDim.x] = B[(i * BLOCK_SIZE + ty + m * blockDim.y) * N + col + n * blockDim.x]; else Bs[ty + m * blockDim.y][tx + n * blockDim.x] = 0.0f; __syncthreads(); for (int k = 0; k < BLOCK_SIZE; ++k) for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) sum[m][n] += As[ty + m * blockDim.y][k] * Bs[k][tx + n * blockDim.x]; __syncthreads(); } for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) if (row + m * blockDim.y < M && col + n * blockDim.x < N) C[(row + m * blockDim.y) * N + col + n * blockDim.x] = sum[m][n]; }

这个版本通过让每个线程计算多个输出元素,进一步提高了计算密度。

4. 矩阵转置优化

为了进一步优化内存访问模式,我们可以考虑对输入矩阵进行转置:

template <int BLOCK_SIZE, int THREAD_SIZE_X, int THREAD_SIZE_Y> __global__ void gemm_kernel_v05(const float* A, const float* B, float* C, int M, int N, int K) { __shared__ float As[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE]; __shared__ float Bs[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE]; int bx = blockIdx.x, by = blockIdx.y; int tx = threadIdx.x, ty = threadIdx.y; int row = by * BLOCK_SIZE + ty; int col = bx * BLOCK_SIZE + tx; float sum[THREAD_SIZE_Y][THREAD_SIZE_X] = {0.0f}; for (int i = 0; i < (K + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE; ++i) { for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) if (row + m * blockDim.y < M && i * BLOCK_SIZE + tx + n * blockDim.x < K) As[ty + m * blockDim.y][tx + n * blockDim.x] = A[(row + m * blockDim.y) * K + i * BLOCK_SIZE + tx + n * blockDim.x]; else As[ty + m * blockDim.y][tx + n * blockDim.x] = 0.0f; for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) if (col + n * blockDim.x < N && i * BLOCK_SIZE + ty + m * blockDim.y < K) Bs[tx + n * blockDim.x][ty + m * blockDim.y] = B[(col + n * blockDim.x) * K + i * BLOCK_SIZE + ty + m * blockDim.y]; else Bs[tx + n * blockDim.x][ty + m * blockDim.y] = 0.0f; __syncthreads(); for (int k = 0; k < BLOCK_SIZE; ++k) for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) sum[m][n] += As[ty + m * blockDim.y][k] * Bs[tx + n * blockDim.x][k]; __syncthreads(); } for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) if (row + m * blockDim.y < M && col + n * blockDim.x < N) C[(row + m * blockDim.y) * N + col + n * blockDim.x] = sum[m][n]; }

这个版本通过转置B矩阵,优化了内存访问模式,提高了缓存命中率。

5. Warp优化

最后,我们可以引入Warp级别的优化:

template <int BLOCK_SIZE, int WARP_SIZE, int THREAD_SIZE_X, int THREAD_SIZE_Y> __global__ void gemm_kernel_v06(const float* A, const float* B, float* C, int M, int N, int K) { __shared__ float As[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE]; __shared__ float Bs[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE]; int bx = blockIdx.x, by = blockIdx.y; int tx = threadIdx.x, ty = threadIdx.y; int warpId = (ty * blockDim.x + tx) / WARP_SIZE; int laneId = (ty * blockDim.x + tx) % WARP_SIZE; int warpRow = warpId / (BLOCK_SIZE / WARP_SIZE); int warpCol = warpId % (BLOCK_SIZE / WARP_SIZE); int row = by * BLOCK_SIZE + warpRow * WARP_SIZE + laneId / (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y); int col = bx * BLOCK_SIZE + warpCol * WARP_SIZE + laneId % (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X); float sum[THREAD_SIZE_Y][THREAD_SIZE_X] = {0.0f}; for (int i = 0; i < (K + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE; ++i) { for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) if (row + m * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y) < M && i * BLOCK_SIZE + tx + n * blockDim.x < K) As[warpRow * WARP_SIZE + laneId / (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y) + m * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y)][tx + n * blockDim.x] = A[(row + m * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y)) * K + i * BLOCK_SIZE + tx + n * blockDim.x]; else As[warpRow * WARP_SIZE + laneId / (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y) + m * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y)][tx + n * blockDim.x] = 0.0f; for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) if (col + n * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X) < N && i * BLOCK_SIZE + ty + m * blockDim.y < K) Bs[tx + n * blockDim.x][warpCol * WARP_SIZE + laneId % (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X) + m * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X)] = B[(col + n * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X)) * K + i * BLOCK_SIZE + ty + m * blockDim.y]; else Bs[tx + n * blockDim.x][warpCol * WARP_SIZE + laneId % (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X) + m * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X)] = 0.0f; __syncthreads(); for (int k = 0; k < BLOCK_SIZE; ++k) for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) sum[m][n] += As[warpRow * WARP_SIZE + laneId / (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y) + m * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y)][k] * Bs[k][warpCol * WARP_SIZE + laneId % (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X) + m * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X)]; __syncthreads(); } for (int m = 0; m < THREAD_SIZE_Y; ++m) for (int n = 0; n < THREAD_SIZE_X; ++n) if (row + m * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y) < M && col + n * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X) < N) C[(row + m * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_Y)) * N + col + n * (WARP_SIZE / THREAD_SIZE_X)] = sum[m][n]; }

这个版本通过引入Warp级别的优化,以提高计算的并行效率。

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