GPU 中分支指令的处理

Nvidia GPU 中,一个 Warp 包含 32 个线程,

这里为了说明的简便,假定一个 Warp 包含 4 个线程。

不管 Warp 中包含多少个线程,它们都并行执行相同的指令,因此可以认为它们有一个共同的 CURR_PC

由于有分支指令的存在,它们即将执行的下一条指令可能各不相同,因此,它们都有各自的 NEXT_PC

Warp 中的 4 个线程分别记为 T0T1T2T3,它们即将执行的下一条指令的 PC 记为 T~N~_NEXT_PC,它们正在执行的指令的 PC 记为 CURR_PC

给定一个 Kernel 程序,如下,

__kernel void
test(__global int* OUT) {
  int tid = (int)(get_global_id(0)); // ← PC 0 // 获取当前线程的 ID
  if (tid < 2) {                     // ← PC 1 // 如果当前线程的 ID 小于 2
    OUT[tid] += 10;                  // ← PC 2
  }
  OUT[tid] += 100;                   // ← PC 3
}

执行过程,如下,

执行到 PC-1 的时候,由于 4 个线程的 NEXT_PC 不一样,因此在这里发生了线程分叉(Diverge)

发生 Diverge 时,需要选择 NEXT_PC 最小的线程来继续执行,其他线程陪跑

本例中,选择 T0 和 T1 执行,T2 和 T3 陪跑。

执行到 PC-2 的时候,由于执行到了分支代码的最后一行,因此在这里需要做线程合并(Reconverge)

Reconverge 的时机,硬件并不能自动判断得到。需要编译器在指令中标记好。

发生 Reconverge 时,需要选择 NEXT_PC 最小的线程来继续执行,其他线程陪跑

本例中,选择 T0、T1、T2 和 T3 执行。

分支指令会非常影响 GPU 的性能,这是因为 Diverge 时会有线程空跑,出现了执行“气泡”,降低了执行单元的利用率。

为了加深印象,提供一个带嵌套分支的 Kernel 程序,读者可以自行推理一下何时会发生 Diverge 或者 Reconverge。

__kernel void
test(__global int* OUT) {
  int tid = (int)(get_global_id(0)); // ← PC 0
  if (tid < 2) {                     // ← PC 1
    OUT[tid] += 10;                  // ← PC 2
    if (tid < 1)                     // ← PC 3
      OUT[tid] -= 10;                // ← PC 4
    else
      OUT[tid] -= 5;                 // ← PC 5
  } else
    OUT[tid] += 20;                  // ← PC 6
  OUT[tid] += 100;                   // ← PC 7
}

参考的执行过程,如下,

线程发散会带来 GPU 执行性能的降低。减少分支发散的方法一般有:

  1. 减少一个 Warp 包含的线程的数量。例如,假设程序逻辑为:当线程 ID 小于 2 时执行 if 语句内容,且一个 Warp 是 4 个线程。那么此时会发生线程分散。如果设置一个 Warp 只包含 2 个线程,那么就不会发生线程分散了。该方法降低了线程发散的概率

    • 英伟达一个 Warp 包含 32 个线程

    • ARM 一个 Warp 包含 4/8/16 个线程

    • AMD 每个 Warp 包含 32 或者 64 个线程

      • 官方推荐图形渲染时使用 64 的配置,通用计算时使用 32 的配置,因为通用计算通常包含更加复杂的控制逻辑,会出现更多的分支指令
    • 一个 Warp 中的线程并不是越少越好,这是硬件架构设计过程中综合多个因素而定的

  2. 分支合并
    参看:fetch.php (cmu.edu)

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