CUDA

CUDA（Compute Unified Devices Architecture，統一計算架構）是由英偉達（NVIDIA）所推出的一個並行計算平台，是該公司對於GPGPU的正式名稱。透過這個技術，使用者可利用NVIDIA的GPU進行圖像處理之外的運算。

CUDA 開發套件（CUDA Toolkit）只能將自家的CUDA C-語言（對OpenCL只有連結的功能），編譯成PTX中間語言，或特定NVIDIA GPU架構的機器碼（NVIDIA 官方稱為 "device code"）.執行於CPU部分的C / C++程式碼（NVIDIA 官方稱為 "host code"）仍依賴於外部的編譯器，如Microsoft Windows下需要Microsoft Visual Studio；Linux下則主要依賴於GCC。

## 簡介

<image>

GPU不僅用於進行圖形渲染，而且用於物理運算（物理效果如碎片、煙、火、流體）如PhysX和Bullet。進一步的，GPU可以用在計算生物學與密碼學等領域的非圖形應用上。

使用CUDA技術，GPU可以用來進行通用處理（不僅僅是圖形）；這種方法被稱為GPGPU。與CPU不同的是，GPU並行計算能力更強，更擅長處理數據密集型計算。

需要注意的是，Nvidia CUDA僅支持在部分Nvidia GPU上運行。Nvidia CUDA Toolkit在EULA中也禁止使用者將編譯後的代碼運行在其他類型GPU上

## 優點

在GPUs（GPGPU）上使用圖形APIs進行傳統通用計算，CUDA技術有下列幾個優點：

- 分散讀取——代碼可以從記憶體的任意位址讀取
- 統一虛擬記憶體（Unified Memory, 從 CUDA 6.0 開始）—— 將所有 CPU 和 GPU 的記憶體置於統一管理的虛擬記憶體空間下。
- 共用記憶體（Global Memory）—— 存取快速的區域，使之在多個執行緒間共用，有效頻寬比紋理記憶體（Texture Memory）更大。
- 與GPU之間更快的下載與回讀
- 全面支持整型與位操作，包括整型紋理查找

## 限制

- CUDA不支援完整的C語言標準。它在C++編譯器上運行主機程式碼時，會使一些在C中合法（但在C++中不合法）的代碼無法編譯。
- 不支持紋理渲染（CUDA 3.2及以後版本通過在CUDA陣列中引入「表面寫操作」——底層的不透明資料結構——來進行處理）
- 受系統主線的頻寬和延遲的影響，主機與設備記憶體之間資料複製可能會導致性能下降（通過GPU的DMA引擎處理，非同步記憶體傳輸可在一定範圍內緩解此現象）
- 當執行緒總數為數千時，執行緒應按至少32個一組來運行才能獲得最佳效果。如果每組中的32個執行緒使用相同的執行路徑，則程式分支不會顯著影響效果；在處理本質上不同的任務時，單指令流多數據流（SIMD）執行模型將成為一個瓶頸（如在光線追蹤演演算法中遍歷一個空間分割的資料結構）
- 只有NVIDIA的GPUs支援CUDA技術
- 由於編譯器需要使用優化技術來利用有限的資源，即使合法的C/C++有時候也會被標記並中止編譯
- CUDA（計算能力1.x）使用一個不包含遞迴、函數指標的C語言子集，外加一些簡單的擴展。而單個進程必須運行在多個不相交的記憶體空間上，這與其它C語言運行環境不同。
- CUDA（計算能力2.x）允許C++類功能的子集，如成員函數可以不是虛擬的（這個限制將在以後的某個版本中移除）參見《CUDA C程式設計指南3.1》－附錄D.6
- 雙精度浮點（CUDA計算能力1.3及以上）與IEEE754標準有所差異：倒數、除法、平方根僅支持捨入到最近的偶數。單精確度中不支持反常值（denormal）及sNaN（signaling NaN）；只支援兩種IEEE捨入模式（舍位與捨入到最近的偶數），這些在每條指令的基礎上指定，而非控制字碼；除法/平方根的精度比單精確度略低。

## 示例

### CUDA Driver API

下面將示範以最底層的 CUDA Driver API 調用GPU做列向量的加法，以下為 CPU 端的程式碼

```c
// 本範例修改自 Andrei de A. Formiga (2012-06-04) 寫的範例: https://gist.github.com/tautologico/2879581
// 編譯指令 nvcc -O3 -lcuda add.c -o add.exe

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#include <cuda.h>
#include <builtin_types.h> // Driver api 的型態定義

#define N 1024 //列向量長度

// 利用CUDA函數的錯誤傳回做例外處理
inline void checkCudaErrors( CUresult err)
{
    if( CUDA_SUCCESS != err) {
        printf("CUDA Driver API error = %04d from file <%s>, line %i.\n",
                err, ,  );
        exit(-1); // 直接終止程式
    }
}

CUdevice   device; // CUDA 裝置(也就是GPU)物件
CUcontext  context; // CUDA 內容物件
CUmodule   module; // 代表GPU程式碼的物件
CUfunction function; // CUDA GPU 函數
size_t     totalGlobalMem; // CUDA 裝置記憶體總量

// Driver API 只能自外部檔案讀取 GPU 程式，可以為 PTX 中間碼也可以是 cubin 機器碼(或是混合各種架構機器碼的fatbin)
char       *module_file = (char*) "matSumKernel.cubin";

// GPU 函數名稱
char       *kernel_name = (char*) "matSum";

// 初始化 CUDA 的手續
void initCUDA()
{
    int deviceCount = 0; // 當前可使用的 CUDA 裝置(GPU)數
    CUresult err = cuInit(0); // 初始化 CUDA API

    if (err == CUDA_SUCCESS) // 取得可用裝置數
        checkCudaErrors(cuDeviceGetCount(&deviceCount));

    if (deviceCount == 0) { // 確定有可用的裝置
        fprintf(stderr, "Error: no devices supporting CUDA\n");
        exit(-1);
    }

    // get first CUDA device
    checkCudaErrors(cuDeviceGet(&device, 0)); // 取編號為 0 的裝置
    char name[100];
    cuDeviceGetName(name, 100, device); // 印出裝置名稱
    printf("> Using device 0: %s\n", name);

    checkCudaErrors( cuDeviceTotalMem(&totalGlobalMem, device) ); 
    // 印出裝置可用記憶體
    printf("  Total amount of global memory:   %llu bytes\n",
           (unsigned long long)totalGlobalMem);
    // GPU 記憶體是否是為64bits定址
    printf("  64-bit Memory Address:           %s\n",
           (totalGlobalMem > (unsigned long long)4*1024*1024*1024L)?
           "YES" : "NO");

    // 創建 CUDA 內容
    err = cuCtxCreate(&context, 0, device);
    if (err != CUDA_SUCCESS) {
        fprintf(stderr, "* Error initializing the CUDA context.\n");
        cuCtxDetach(context);
        exit(-1);
    }

    // 讀取編譯好的cubin GPU程式碼
    err = cuModuleLoad(&module, module_file);
    if (err != CUDA_SUCCESS) {
        fprintf(stderr, "* Error loading the module %s\n", module_file);
        cuCtxDetach(context); // 釋放 CUDA 內容物件
        exit(-1);
    }

    // 獲取GPU程式裡函數"matSum"的指標
    err = cuModuleGetFunction(&function, module, kernel_name);

    if (err != CUDA_SUCCESS) {
        fprintf(stderr, "* Error getting kernel function %s\n", kernel_name);
        cuCtxDetach(context);
        exit(-1);
    }
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int a[N], b[N], c[N];
    CUdeviceptr d_a, d_b, d_c;

    // 注意 GPU 變數指標的型態是 CUdeviceptr
    // typedef unsigned int CUdeviceptr_v2
    // typedef CUdeviceptr_v2 CUdeviceptr

    // 初始化主記憶體變數
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        a[i] = i;
        b[i] = N - i;
    }

    initCUDA();

    // 動態分配 GPU 記憶體
    // CUresult cuMemAlloc ( CUdeviceptr* dptr, size_t bytesize )
    checkCudaErrors( cuMemAlloc(&d_a, sizeof(int) * N) ); // 
    checkCudaErrors( cuMemAlloc(&d_b, sizeof(int) * N) );
    checkCudaErrors( cuMemAlloc(&d_c, sizeof(int) * N) );

    // 將列向量傳入裝置
    // CUresult cuMemcpyHtoD ( CUdeviceptr dstDevice, const void* srcHost, size_t ByteCount ) 
    checkCudaErrors( cuMemcpyHtoD(d_a, a, sizeof(int) * N) );
    checkCudaErrors( cuMemcpyHtoD(d_b, b, sizeof(int) * N) );

    void *args[3] = { &d_a, &d_b, &d_c }; // 包裝放入GPU 函數的引數
    
    // 運行 GPU 函數
    // CUresult cuLaunchKernel ( CUfunction f, unsigned int  gridDimX, unsigned int  gridDimY, unsigned int  gridDimZ,
    //                           unsigned int  blockDimX, unsigned int  blockDimY, unsigned int  blockDimZ,
    //                           unsigned int  sharedMemBytes, CUstream hStream, void** kernelParams, void** extra )
    
    checkCudaErrors( cuLaunchKernel(function, N, 1, 1,  // Nx1x1 blocks
                                    1, 1, 1,            // 1x1x1 threads
                                    0, 0, args, 0) );

    // 將運算結果送回主記憶體
    // CUresult cuMemcpyDtoH ( void* dstHost, CUdeviceptr srcDevice, size_t ByteCount ) 
    checkCudaErrors( cuMemcpyDtoH(c, d_c, sizeof(int) * N) );
    
    // 將 CPU 和 GPU 運算結果做對照 
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        if (c[i] != a[i] + b[i])
            printf("* Error at array position %d: Expected %d, Got %d\n",
                   i, a[i]+b[i], c[i]);
    }

    // 釋放 GPU 記憶體
    // CUresult cuMemFree ( CUdeviceptr dptr ) 
    checkCudaErrors( cuMemFree(d_a) );
    checkCudaErrors( cuMemFree(d_b) );
    checkCudaErrors( cuMemFree(d_c) );

    cuCtxDetach(context); // 釋放 CUDA 內容物件
    return 0;
}
```

而以下是GPU端的程式碼

```c
// 本範例修改自 Andrei de A. Formiga (2012-06-04) 寫的範例: https://gist.github.com/tautologico/2879581
// 此部分要先編譯成 cubin 後才可以被 CPU 端程式使用
// 編譯指令 nvcc -O3 -cubin -arch=native matSumKernel.cu -o matSumKernel.cubin

#define N 1024 //列向量長度

extern "C" __global__ void matSum(int *a, int *b, int *c)
{
    int tid = blockIdx.x; // thread 的 x 座標
    if (tid < N)
        c[tid] = a[tid] + b[tid]; //每個 thread 做一次加法
}
```

### CUDA Runtime API

下列的範例是以相較於 Driver API 來說比較簡便的 CUDA Runtime API 做列向量的加法：

```c
// 本範例修改自Nvidia官方的CUDA開發指引: https://docs.nvidia.com/cuda/cuda-c-programming-guide/index.html#kernels
// 編譯指令 nvcc vector_add.cu -arch=native -o vector_add.exe
// -arch=native 代表將 device code 編譯成當前電腦 Nvidia GPU 架構的機器碼，拿掉就是照預設編譯成 PTX 中間碼。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // 引用動態分配 malloc、隨機函數 rand() 和隨機上限 RAND_MAX

#define N 1024 // 列向量長度

// Device code: 送入GPU執行的部分

__global__ void VecAdd(float* A, float* B, float* C)
{
    int i = threadIdx.x; // thread 的 x 座標
    if (i < N){
        C[i] = A[i] + B[i]; // 每個 thread 作一次加法
    }
}
            
// Host code: 送入CPU執行的部分

int main()
{
	size_t size = N * sizeof(float); // 向量的實際大小，以位元組(bytes)為單位
	
	int i; // 迴圈計數

	// 動態分配位於"host(CPU) 記憶體" 的向量
	float* h_A = (float*)malloc(size);
	float* h_B = (float*)malloc(size);
	float* h_C = (float*)malloc(size);

	// 隨機初始化輸入向量
	for(i = 0; i < N; i++){
		h_A[i] = (float)rand() / (float)RAND_MAX;
		h_B[i] = (float)rand() / (float)RAND_MAX;
	}

	// 動態分配位於"device(GPU) 記憶體"的向量
	float* d_A;
	cudaMalloc(&d_A, size); // cudaError_t cudaMalloc ( void** devPtr, size_t size )
	float* d_B;
	cudaMalloc(&d_B, size);
	float* d_C;
	cudaMalloc(&d_C, size);

	// 將向量從 CPU 複製到 GPU
	cudaMemcpy(d_A, h_A, size, cudaMemcpyHostToDevice);
	cudaMemcpy(d_B, h_B, size, cudaMemcpyHostToDevice);
	
	// 將 device code 送入 GPU 並執行，執行時一個 Grid 只有一個 block ，一個 block 有 N 個 thread
	VecAdd<<<1, N>>>(d_A, d_B, d_C);

	// 將算好的向量從 GPU 複製到 CPU
	cudaMemcpy(h_C, d_C, size, cudaMemcpyDeviceToHost);
	
	// 印出運算結果
	for(i = 0; i < N; i++){
        printf("%f ", h_C[i]);
	}

	// 釋放 GPU 記憶體
	cudaFree(d_A);
	cudaFree(d_B);
	cudaFree(d_C);
 
	// 釋放 CPU 記憶體
    free(h_A);
	free(h_B);
	free(h_C);
}
```

### Python

以下用 Python 編寫的例子，將兩組數在 GPU 上進行相乘，並輸出結果。使用 PyCUDA 作為CUDA的Python綁定：

```python
import numpy
import pycuda.autoinit

from numpy.typing import NDArray, float32
from pycuda.compiler import SourceModule
from pycuda.driver import Function, In, Out

mod: SourceModule = SourceModule(
    """
__global__ void multiply_them(float* dest, float* a, float* b) {
    const int i = threadIdx.x;
    dest[i] = a[i] * b[i];
}
"""
)

multiply_them: Function = mod.get_function("multiply_them")

a: NDArray[float32] = numpy.random.randn(400).astype(numpy.float32)
b: NDArray[float32] = numpy.random.randn(400).astype(numpy.float32)

dest: NDArray[float32] = numpy.zeros_like(a)
multiply_them(Out(dest), In(a), In(b), block=(400, 1, 1))

print(dest - a * b)
```

pycublas間接調用 CUDA 進行矩陣乘法，如下所示：

```python
import numpy

from pycublas import CUBLASMatrix

A: CUBLASMatrix = CUBLASMatrix(numpy.mat([[1, 2, 3], [4, 5, 6]], numpy.float32))
B: CUBLASMatrix = CUBLASMatrix(numpy.mat([[2, 3], [4, 5], [6, 7]], numpy.float32))
C: CUBLASMatrix = A * B
print(C.np_mat())
```

en，使用CUDA加速，可以直接替換NumPy：

```python
import cupy

from cupy.typing import NDArray, float64

a: NDArray[float64] = cupy.random.randn(400)
b: NDArray[float64] = cupy.random.randn(400)

dest: NDArray[float64] = cupy.zeros_like(a)

print(dest - a * b)
```

## 顯卡的受支持情況

詳情請參見 Nvidia

## 應用

利用CUDA技術，配合適當的軟體（例如MediaCoder、Freemake Video Converter），就可以利用顯示核心進行高畫質影片編碼加速。影片解碼方面，同樣可以利用CUDA技術實現。此前，NVIDIA的顯示核心本身已集成PureVideo單元。可是，實現相關加速功能的一個微軟API－DXVA，偶爾會有加速失效問題。所以利用CoreAVC配合CUDA，變相在顯示核心上實現軟體解碼，解決兼容性問題。另外，配合適當的引擎，顯示核心就可以計算光線跟蹤。NVIDIA就放出了自家的Optix實時光線跟蹤引擎，透過CUDA技術利用GPU計算光線跟蹤。

## 支援的產品

所有基於G80及之後架構的民用與專業顯示卡或運算模組皆支援CUDA技術。

## 基本資料

- 作者：Ian Buck John Nickolls
- 開發者：NVIDIA
- 發行日期：2007年2月16日
- 軟體版本週期：13.3.0（2026年5月26日）
- 程式語言：C
- 作業系統：Windows、Linux
- 類型：GPGPU
- 許可協議：專有軟體