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CUDA线程模型与数值核函数入门

共计 30 章节
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01
课程导入与CUDA编程全景
学习目标 · CUDA线程模型在数值计算中的定位 · 异构计算基本概念
CUDA课程导入
02
GPU硬件架构与线程模型映射
流多处理器（SM） · warp调度 · 网格-线程块-线程三级层次
GPU硬件架构
03
CUDA核函数编写基础
__global__函数声明与调用语… · 核函数启动配置>> · 线程唯一标识计算
CUDA核函数编写基础
04
向量加法核函数实战
从CPU循环到GPU并行 · 一维线程索引映射 · 边界条件处理
向量加法核函数实…CPU
05
线程束（Warp）与分支发散
warp执行模型 · 分支发散对性能的影响 · 避免发散的模式（如条件赋值替代分支）
Warp线程束
06
共享内存与线程块内协作
__shared__声明 · 共享内存的生命周期与作用域 · 静态与动态共享内存
共享内存线程块内协作
07
数值核函数中的归约操作
并行归约算法（树形归约） · 共享内存归约实现 · 避免bank冲突的填充技巧
数值核函数归约操作
08
矩阵乘法核函数入门
二维线程块与二维网格映射 · 全局内存访问模式 · 朴素矩阵乘法核函数实现
矩阵乘法核函数入…二维线程块
09
共享内存优化矩阵乘法
分块（tiling）技术 · 共享内存分块加载 · 减少全局内存访问次数
共享内存优化矩阵…tiling
10
CUDA内存层次与访问优化
全局内存 · 常量内存 · 纹理内存
CUDA内存层次
11
原子操作与线程安全
atomicAdd等原子函数 · 多线程块对同一地址的累加 · 原子操作在直方图/求和中的应用
原子操作线程安全
12
流与异步执行初步
CUDA流（stream）概念 · 异步内存拷贝与核函数启动 · 流间并发
异步执行初步CUDA
13
数值稳定性与精度
浮点数在GPU上的表示与舍入 · 单精度与双精度性能差异 · 归约中的数值误差累积
数值稳定性精度
14
一维卷积核函数实现
卷积的数学定义与数值计算场景 · 一维卷积的线程映射 · 边界处理
一维卷积核函数实…卷积的数学定义
15
二维卷积与图像滤波
二维卷积核函数设计 · 线程块覆盖图像块 · 共享内存加载输入块与halo
二维卷积图像滤波
16
并行前缀和（Scan）
前缀和的数学定义与应用 · Hillis-Steele扫描算法 · Blelloch扫描算法
Scan并行前缀
17
稀疏矩阵向量乘（SpMV）入门
CSR格式介绍 · SpMV核函数线程映射策略（按行分配… · 负载不均衡问题
SpMV稀疏矩阵向量乘
18
CUDA核函数调试与错误处理
cudaGetLastError与c… · 常见错误类型（非法内存访问 · 启动配置错误）
CUDA核函数调试
19
性能分析工具入门
Nsight Systems与Nsi… · 核函数耗时分析 · 内存吞吐与计算吞吐指标
性能分析工具入门Nsight
20
占用率与资源限制
寄存器使用量 · 共享内存使用量对占用率的影响 · 使用__launch_bounds_…
占用率资源限制
21
线程块大小与网格大小调优
线程块大小对性能的影响 · warp数量与SM资源匹配 · 网格大小与数据规模关系
线程块大小网格大小调优
22
数值积分（梯形法/辛普森法）核函数
数值积分并行化 · 每个线程计算一个子区间 · 归约求和
数值积分梯形法
23
蒙特卡洛方法并行化
蒙特卡洛估算π · 随机数生成（cuRAND库简介） · 每个线程独立采样
蒙特卡洛方法并行…蒙特卡洛估算π
24
常微分方程（ODE）并行求解入门
欧拉法并行化 · 每个线程求解一个独立初值问题 · 线程块内共享参数
ODE常微分方程
25
矩阵转置与合并访问
矩阵转置的朴素实现与共享内存优化 · 避免bank冲突的填充 · 合并访问对全局内存带宽的影响
矩阵转置合并访问
26
多流与核函数并发实战
创建多个流 · 将数据分块并在不同流中异步执行 · 重叠数据传输与计算
多流核函数并发实战
27
统一内存与零拷贝
cudaMallocManaged统… · 零拷贝（pinned memory）… · 简化内存管理的利弊
统一内存零拷贝
28
CUDA核函数库初步
cuBLAS与cuSPARSE简介 · 调用库函数完成矩阵乘法与SpMV · 与手写核函数性能对比
CUDA核函数库初步
29
综合实战
并行图像处理流水线：将卷积 · 归约 · 直方图等核函数组合成完整图像处理流程
综合实战并行图像处理流水…
30
课程总结与进阶方向
线程模型与数值核函数知识体系回顾 · 常见性能陷阱总结 · 进一步学习方向（动态并行
课程总结进阶方向