CUDA程序调优指南（三）：BlockNum和ThreadNumPerBlock

（以下纯属经验而谈，并非一定准确）

x. ThreadNumPerBlock

对于ThreadNumPerBlock而言，其上限由硬件限制，有两个因素

• 一个是MaxThreadsPerBlock
• 一个是$\frac{MaxRegisterPerBlock}{RegisterPerThread}$。写好了Kernel后，其RegisterPerThread是固定值。该值由编译器确定，可由nvcc的--ptxas-options=-v得出。

ThreadNumPerBlock通常取值是256/512/1024（经验而谈，值越大越好）。

但有时预先选好的值达不到100% Occupancy，所以选取可以达到最高Occupancy的最大值。

那么，什么损失Occupancy？

x.1 Occupancy的定义

a CUDA device's hardware implementation groups adjacent threads within a block into warps.
A warp is considered active from the time its threads begin executing to the time when all threads in the warp have exited from the kernel.

Occupancy：一个SM上active warp 比上 该SM最大的active warps的数量的比值。

Low Occupancy会导致较低的instruction issue effiency（参考1.4节所说的关于latency的定义），因为没有足够多的可用warp来掩盖互相依赖的instruction之间的延迟。所以我们需要尽可能让Occupancy更大。

Occupancy分为两种【Theoretical Occupancy】和【Achieved Occupancy】。Achieved Occupancy受制于Theoretical Occupancy。

x.2. Theoretical Occupancy，ThreadsPerBlock与RegisterPerThread

首先，如何根据ThreadsPerBlock和RegisterPerThread计算Theoretical Occupancy？

1. 假设预先设置ThreadsPerBlock，可以得到WarpPerBlock
2. 计算 $BlocksPerSM = \frac{RegisterPerSM}{RegisterPerThread*ThreadsPerBlock}$（注意整数相除，下取整）
3. 计算 $WarpsPerSM=WarpsPerBlock*BlocksPerSM$，对比该值与MaxWarpsPerSM，是否达到100%。

上述计算中，RegisterPerSM和RegisterPerThread都是常量。

所以如未达到100%，则可以尝试更改ThreadsPerBlock看是否能达到更高Occupancy。

举例：

以1080（CC 6.1）为例，其RegisterPerSM是65536，MaxWarpsPerSM=64。

针对于某个实现的Im2Col kernel function而言，其RegisterPerThread是39。

那么，设置ThreadsPerBlock=1024时，warpsPerBlock=1024/32=32，BlocksPerSM=1。

WarpsPerSM=32*1=32，则Theoretical Occupancy仅为50%，对应执行时间为86us。

• 若ThreadsPerBlock=512，那么Theoretical Occupancy=75%，执行时间减少为76us。

• 若ThreadsPerBlock=768，那么Theoretical Occupancy=75%，执行时间更少，为64us。

x.3. Achieved Occupancy

Achieved Occupancy无法高于Theoretical Occupancy，但有时会达不到理论值，具体如何见Achieved Occupancy。

xx. BlockNum

BlocksNum的取值则更有讲究，$BlocksNum=BlocksPerSM * NumofSM$，我们只需要求解BlocksPerSM即可。

因为GPU执行机制的原因，理论上BlocksPerSM可以很大。因为如果每个SM平均很多Blocks，但SM每次只能并发执行两个Block，那后面的Block会放到stream里等到前面的Block执行完毕才能被SM执行。

但通常来说，在占满SM资源的情况下，BlocksPerSM越小越好。

结合CUDA_1D_LOOP来看，BlocksPerSM越小，总的Block数量就少，每个thread所处理的任务量多，可以减少一些创建Block的资源开销，如shared memory的初始化。

针对于一个SM最大可以【并发concurrently】执行多少个Block，有如下几个因素限制上限：

• $MaxBlocksPerSM$：硬件属性
• $\frac{MaxThreadsPerSM}{ThreadsPerBlock}$
• $\frac{SharedMemPerSM}{SharedMemPerBlock}$
• $\frac{RegisterPerSM}{RegisterPerThread * ThreadsPerBlock}$

因此，我们取这三个值的最小值作为BlocksPerSM即可。