去年AIGC大火，程序员都把注意力放在了最上层，而忽略了提供算力的最底层：GPU。
不过这也正常，就像很少人直接针对CPU编程一样，直接针对GPU编程的人也不多。
但是了解一下GPU编程，绝对大有好处。
今天先聊聊GPU编程，然后再聊聊一个CUDA这个新的生态系统，对编程细节不感兴趣的可以直接拉到最后。
对了，文末还有免费送书的福利。
CPU vs GPU
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CPU的设计目标是“尽可能地降低延时”
(1) 强大的ALU（算术逻辑单元），可以在很少的时钟周期内完成算术运算。
(2) 巨大的Cache：加快指令和数据的存取速度
(3) 复杂的逻辑控制：当程序员有多个分支，它可以通过分支预测来降低延时。
GPU的目标是：“尽可能地实现大吞吐量”
(1) ALU 简单，但是超级多
(2) Cache很小
(3) 逻辑控制简单。
如果把GPU的单个核心比作小学生，那一个CPU的核心就是老教授。
如果要做微积分，几千个小学生也比如上老教授。
但是，如果只是100以内的加减法，几千个小学生同时做（并行计算），那效率肯定要比老教授高。
老教授处理复杂任务的能力是碾压小学生的，但是对于没有那么复杂的任务，还是顶不住人多。
把串行改成并行
我们用一个例子来展示一下：
int a[] = {1,2,3,4,5,6,8,9,10};
int b[] = {11,12,13,14,15,16,17,18,19,20};
int c[10];
int main() {
int N = 10; // Number of elements
for (int i = 0; i < N; i++) {
c[i] = a[i] + b[i];
}
return 0;
}这段简单的代码大家都能看懂，CPU在执行时会做一个循环，然后把两个数组对应的元素进行相加，结果存到数组c中。
由于是顺序处理的，如果数组非常大，就会比较耗时。
如何把它改成并行计算呢？
数组中有10个元素，我们可以创建10个线程，把每个线程扔到一个GPU核心中去运行。
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程序员该怎么写代码，来表达这个想法呢？
CUDA
英伟达的CUDA是一个并行计算平台，可以让程序员可以通过C、C++等语言在GPU上并行执行代码。
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在CUDA中，把CPU所在的部分叫做Host，GPU称为Device，它们之间通过总线相连。
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对于之前的例子，CUDA代码是这样的：
__global__ void vectorAdd(int* a, int* b, int* c){
int i = threadIdx.x;
c[i] = a[i] + b[i];
return;
}估计大部分小伙伴都能猜出来这段代码的含义。
a,b分别是两个要想加的数组，c用来保存结果。
__global__应该是个指示符，表示这段代码是个“内核函数”，要被放到GPU上来执行。
threadIdx是个什么东西？
似乎是个线程的索引，找到这个线程的index以后，取出a,b中index对应的值，加起来放到c中。例如index是0，那就取出a[0],b[0]加起来，放到c[0]中，这就实现了我们之前的想法。
值得注意的是，这里的a,b,c不是Host的内存，而是Device（GPU）的内存，所以我们得把原始的数据复制到GPU中。
1. 先在GPU中分配内存
int* cudaA = 0;
int* cudaB = 0;
int* cudaC = 0;
// 使用cudaMalloc在GPU中分配内存
cudaMalloc(&cudaA,sizeof(a));
cudaMalloc(&cudaB,sizeof(b));
cudaMalloc(&cudaC,sizeof(c));2.然后把原始数据从Host复制到Device(即GPU)中
//注意第4个参数，是从Host 到 Device
cudaMemcpy(cudaA, a, sizeof(a), cudaMemcpyHostToDevice);
cudaMemcpy(cudaB, b, sizeof(b), cudaMemcpyHostToDevice);3. 调用内核函数
vectorAdd (cudaA, cudaB, cudaC);调用vectorAdd的时候，被>包围起来的部分是配置参数，这里指定了一组10个线程(数组长度为10)。
这10个线程会被放到10个GPU核心中去执行，他们的索引是从0到9。
所以在vectorAdd函数中可以通过threadIdx.x引用到当前线程的索引，例如9 ， 那就知道当前线程要做的事情：把a[9]和b[9]加起来，放到c[9]中。
这样10个GPU核心就是同时执行10次加法，速度飞快。
4. 把结果复制回Host
// 注意第4个参数，是从Device 到 Host
cudaMemcpy(c, cudaC, sizeof(c), cudaMemcpyDeviceToHost);小伙伴们肯定已经意识到了，这里边有个核心的概念：Thread（线程），每个线程都会被映射到一个GPU核心去执行。
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多个Thread可以组成一个块（Block），被映射到多个核心
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多个Block又形成一个Grid，被映射到整个CPU
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在启动内核函数的时候，需要指定配置参数，它的格式是：
kenerl_function
就是告诉CUDA，这次运行的grid的size和block的size，在我们的例子中vectorAdd表示的意思是：Grid中只有一个block，这个block中有10个Thread。
Grid和Block都可以是1维，2维，3维的，这里就不详细描述了。
CUDA生态
前面介绍的是CUDA的冰山一角，希望小伙伴们对CUDA，对GPU编程有个初步认识。
大家也肯定意识到了上面很多cuda开头的各种函数，上层的应用一旦开始使用它们，基本上就和英伟达的CUDA生态绑定了。
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在CUDA发展过程中，一个斯坦福的博士生起到了关键作用。
1999年，Nvidia发布了一块叫GeForce的显卡，它的图形处理性能非常出色，非常适合《雷神之锤》游戏。
这时候，斯坦福博士Ian Buck出场了，他疯狂地将32块GeForce显卡连接在一起，再加上8台投影仪，实现了8K分辨率的《雷神之锤》。
玩归玩，他还研究了一下GeForce显卡自带的一个非常原始的编程工具，随后在DARPA的资助下，实现了在GPU上进行通用并行编程。
随后他便加入了英伟达，负责英伟达超级计算包（就是CUDA）的开发。
英伟达的黄教主认为超级计算在未来必将平民化，英伟达要通过CUDA成为领先者。
CUDA的软硬件开发耗资巨大，当2006年正式推出的时候，科技界反应冷淡，认为英伟达瞄准了一个小众的市场，数十亿美元投资有可能打水漂。
英伟达为了推销CUDA，在金融、石油勘探、分子生物等方面孜孜不倦地寻找客户，但都没有起色。
CUDA发展艰难，没有关键应用，缺少重要客户支持。
2008年底，英伟达的股票下跌了70%。
转折点出现在2012年，Hinton团队仅用4个GTX580显卡，利用CUDA技术进行训练出的神经网络，获得了ImageNet比赛的第一名！
机器学习，深度学习彻底被引爆了。
黄仁勋的“赌注”成功了，他在一封邮件中说道：....我们不在是一家GPU公司了，我们是一家AI公司.....
英伟达开始和Google,Facebook等公司合作，推广开源AI框架TensorFlow、PyTorch，当然，它们都构建在CUDA之上。
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CUDA彻底统治了AI市场，随后CUDA又发力机器人，自动驾驶等领域。
2023年，以ChatGPT为代表的大模型爆火，英伟达的GPU供不应求，被抢爆了，GPU和CUDA一起攻城掠地，无人可挡。
经过17年的发展，继Windows+Intel , Android + ARM之后，又一个庞大的生态形成了。
这个生态的厉害之处在于：它牢牢占据了软件和硬件的结合之处，CUDA的设计基本就是英伟达硬件形态的抽象。
如果其他GPU厂商想兼容CUDA，就得跟随英伟达的硬件路线，亦步亦趋，相当难受。
如果想重建一套新的生态和API，就会遇到那个老大难问题：软件生态。
英伟达开发了世界上性能最强的GPU，又有着CUDA这个宽广的护城河，照理说，国内厂商是没啥办法的，不用也得用。
但是美国政府送上了神助攻，继A100及H100，连中国专供的“阉割版”A800和H800也不让卖了，禁令甚至波及到了消费级的4090。
原来大家都用英伟达，根本看不上国内产品，现在好了，不得不选国内GPU，比如华为昇腾。
虽然性能差一些，编程接口难用一些，但有总比没有强。
去年11月，百度已经下令将“文心一言”使用的芯片，改向华为芯片，并且为200台服务器购买了1600颗华为昇腾910B AI芯片。
360也表示，采购了华为1,000片左右的AI芯片，和华为合作将AI框架移植到华为昇腾910B的AI芯片。
在实际应用中不断反馈、改善，国产的人工智能芯片肯定会越来越好。
这么发展下去，国内肯定会建立起自己的GPU生态，也会有自己的CUDA。
