詳解GPU的記憶體頻寬與CPU的不同

導讀	我們談到GPU相比CPU有更大的記憶體頻寬，此言不虛，這也是眾核GPU有源源不斷資料彈藥供給，能夠發揮強大算力的主要原因。

在先前的文章中我們談到GPU相比CPU有更大的記憶體頻寬，此言不虛，這也是眾核GPU有源源不斷資料彈藥供給，能夠發揮強大算力的主要原因。如下表所示(GDDR和HBM都是GPU的視訊記憶體規格)，基本上GPU的記憶體頻寬要比CPU多一個數量級。

但是考慮到GPU運算核心的數量，平均下來視訊記憶體頻寬真的足夠富裕嗎?參考資料1的《Memory bandwidth》文章提供了很有趣的視角，我們在這裡介紹下。MOS 6502釋出於1975年，是微型計算機發展史上非常重要的一塊晶片。6502一般執行在1M時脈頻率，每個時鐘可以訪問1Byte記憶體資料，6502的一條指令需要花費3~5個時鐘，所以平均下來每條指令大概可以獲得4B記憶體資料。

與此相對照，Intel的Core i7-7700K是一款目前比較主流的桌面CPU，執行頻率4.2G，記憶體頻寬大概50GB/s。i7-7700K一共有4個處理核心，所以每個核心大概可以均攤到12.5GB/s的記憶體頻寬，也就是每個時鐘可以訪問約3B的記憶體資料。該CPU的IPC(Instruction Per Clock)為1，極優化的程式碼可以達到的IPC為3，按此計，每條指令可得1B的記憶體資料，跟老前輩6502相比，已經落後不少。更進一步，現代CPU支援256位長度的SIMD指令，每個時鐘最多執行3條指令，類比GPU，我們以32位為一個通道作為單獨執行執行緒，這樣每個時鐘我們一共有24條指令執行，所以每條指令可以訪問0.125B記憶體資料或者說每8條指令得到1B記憶體資料。

我們再回過頭來看看GPU的情形。以NVidia GeForce GTX 1080Ti為例，記憶體頻寬484GB/s，處理單元工作頻率為1.48G，所以對整個GPU來說，每個時鐘大概可以訪問327B記憶體資料。這個GPU一共有28個SM(類似CPU的處理核心)，每個SM有128個SP，所以總共有3584個SP(類似先前SIMD32位通道)。這樣每個SM一個時鐘大概可以訪問11.7B的記憶體資料，平均到128個SP，一個SP一個時鐘得到0.09B資料，換個好聽的說法就是每11條指令可以得到1B記憶體資料，比CPU的指標還惡劣。

需要再次重申的是，因為設計目標的問題，CPU其實更關注訪存延遲指標，所以相形之下，記憶體頻寬的壓力對GPU更為顯著。這也是為什麼我們先前說過的GPU也開始配置多級Cache的原因，除了改善訪存延遲，也可以降低記憶體頻寬壓力。另外我們在《GPU歷史之二三事》裡也提到Nvidia和AMD都開始擁抱移動GPU常用的TBR(Tile Based Rendering)的繪製技術，記憶體頻寬的壓力也應該是重要的驅動因素。而作為軟體人員，在設計演算法的時候，我們要重視演算法的運算強度(見《Roofline模型初步》)，要充分利用片上記憶體包括硬體Cache和軟體Cache(Shared Memory)，以及注意記憶體的合併訪問(Memory Coalescing)等等來優化記憶體頻寬。

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