统一内存 大模型

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一、【CUDA基础】4.2内存管理在CUDA编程中，内存管理是一个核心元素，包括分配、释放、传输和特殊类型的内存管理。下面对CUDA内存管理进行详细分析：
内存分配和释放是CUDA编程中最基本的操作。通常，内存分配涉及创建供程序使用的内存块。对于所有数据类型，包括int、float等，内存分配都是基于字节的。一旦分配了内存块，就可以通过调用特定的函数来初始化它，类似于Memset。当不再使用内存时，应释放分配的空间以避免内存泄漏。释放内存时，请确保使用的地址是通过cudaMalloc等分配函数获得的，否则会抛出错误。
内存传输是CUDA编程中的一个重要点。由于GPU和CPU不能直接访问彼此的内存，因此必须交换某些功能的数据。该函数允许将数据从一个内存地址（目标地址）复制到另一个内存地址（源地址），并且需要指定要传输的内存大小和传输类型。常见的传输类型包括主机到设备、设备到主机以及它们之间的直接传输，尽管某些类型的主机到主机传输可能看起来不常见。
从主机到设备或设备到主机传输数据时应考虑性能问题。GPU内存使用DDR5技术，而主机内存通常使用DDR4或更新的技术。由于GPU内存的理论峰值带宽远高于CPU和GPU之间的PCIe总线的峰值带宽，因此正确管理内存传输以避免内存访问造成的性能瓶颈非常重要。
固定内存是另一种优化内存传输性能的管理策略。通过锁定页面或直接分配固定内存可以避免由于页面移动而导致的数据传输中断。固定存储支持从主机到设备的直接传输，无需额外步骤。
零拷贝内存允许设备线程直接访问主机内存，这在早期的GPU中是不存在的，但现在是可能的。通过特定函数创建零拷贝内存，允许设备线程和主机同时访问相同的内存地址。但要注意内存冲突的问题。固定内存与零拷贝内存的不同之处在于后者是不可分页的并且通常提供对设备内存的较慢的访问。
统一虚拟寻址(UVA)是一项CUDA功能，可将设备内存和主机内存映射到同一虚拟内存地址空间。此改进简化了内存管理，以便设备和主机可以使用相同的指针访问数据，从而降低代码复杂性。通过UVA，cudaHostAlloc函数分配的固定主机内存具有统一的主机和设备地址，使得数据传输更加直观和高效。
统一内存寻址通过创建托管内存池进一步简化了内存管理，使CPU和GPU可以共享统一的内存资源。托管内存由底层系统自动分配，可以静态或动态声明，允许托管和非托管内存传递给内核函数。使用托管内存可以提供更直观的“数据指针”编程模型。与零拷贝存储相比，它在内存分配和传输上有所不同，但仍然提供了数据访问的便利和高效。

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二、NVIDIAPTXISA学习笔记：MemoryConsistencyModel探索NVIDIAAPTX内存一致性模型，该模型在PTX7.7/8.0及以上版本中发挥核心作用，确保多线程环境下内存操作的一致性。该模型通过一组公理限制内存操作，针对SM_70和更新架构的编程，但不适用于纹理或表面访问。关键概念包括内存操作的原子性、字节、地址、位置和向量数据类型，以及它们在内存一致性中的作用。
第8.1.1节揭示了一个重要的细节，即整个系统的原子性可能会受到主机CPU通信的限制，请参阅CUDA指南进行深入理解。第8.2节详细介绍了内存指令操作的详细信息，包括内存操作的原子性，例如16位向量数据类型.f16x2（被视为独立的.f16操作）的处理，以及非预设元素的排序。
内存监控遵循一个明确的规则：在启动线程之前，每个字节默认从W0写入。当变量有初始值时，使用该值，否则将被视为未知常量。内存操作独立地受到状态空间和范围的影响，同时强操作（strongOperations）和代理栅栏同步是内存一致性管理的主要手段。
内存操作的范围定义了与之交互的线程集合。最小的单位是计算单元（CTA）。代理机制区分不同的内存访问方式，需要通过代理栅栏进行同步以保证一致性。道德强操作构成了内存一致性模型的基础，它保证了内存访问的规律性。
数据冲突和竞争由重叠内存操作引起，区分统一大小（完全重叠）和混合（部分重叠）竞争类型。混合大小争用会影响PTX程序的内存一致性，但对于仅具有统一大小争用的程序，行为保持一致。
原子操作的重叠性质（例如A2之前的RMWA1）及其顺序在内存一致性模型中非常重要。输出和采集模式会影响其他顺序，例如内存操作和同步操作的顺序，分别影响前后程序执行的顺序。
内存操作顺序规则复杂而详细，每个线程的操作顺序遵循程序源码指令，而遍历同步则遵循因果关系和通信的顺序。该公理确保写入顺序保持一致，就像Fence-SC操作之间的排序约束一样。
CUDAAPI通过CUDA流、事件和内核启动等API提供内存同步和任务控制。这种同步机制保证了内存操作的可见性和任务完成的准确性。
简而言之，NVIDIAPTX内存一致性模型通过严格的顺序公理和规则来保护多核环境中的内存操作，确保正确的执行和预期的代码行为。从因果顺序到代理保留顺序，从LoadBuffering到StoreBuffering，每个细节都保留了内存操作的顺序，避免了争用和数据冲突。深入理解这些原则是编写高效且一致的并行程序的关键。