Performance Tuning Guide

本文档提供 Mini-Inference Engine 的性能调优指南。

目录

1. 理解 GEMM 性能
2. Block Size 选择
3. 内存优化
4. GPU 架构特定优化
5. 性能分析工具
6. 常见问题

理解 GEMM 性能

性能指标

1. GFLOPS (Giga Floating Point Operations Per Second)

   • GEMM 计算量: 2 * M * N * K FLOPs
   • GFLOPS = FLOPs / (time_ms * 1e6)

2. 内存带宽利用率

   • 理论带宽 vs 实际带宽
   • 目标: >80% 带宽利用率

3. 计算强度 (Arithmetic Intensity)

   • AI = FLOPs / Bytes
   • GEMM AI ≈ MNK / (MK + KN + M*N) / 4

Roofline 模型

Performance (GFLOPS)
    ^
    |     ___________  Peak Compute
    |    /
    |   /
    |  /  Memory Bound | Compute Bound
    | /
    |/________________> Arithmetic Intensity

Block Size 选择

基本原则

矩阵大小建议

// 小矩阵 (< 512)
GemmConfig small = {
    .BLOCK_M = 64,
    .BLOCK_N = 64,
    .BLOCK_K = 8,
    .use_double_buffer = false
};

// 中等矩阵 (512 - 2048)
GemmConfig medium = {
    .BLOCK_M = 128,
    .BLOCK_N = 128,
    .BLOCK_K = 8,
    .use_double_buffer = true
};

// 大矩阵 (> 2048)
GemmConfig large = {
    .BLOCK_M = 128,
    .BLOCK_N = 256,
    .BLOCK_K = 16,
    .use_double_buffer = true,
    .use_vectorized_load = true
};

约束条件

1. 共享内存限制

   shared_mem = (BM * BK + BK * BN) * sizeof(float) * (double_buffer ? 2 : 1)
   shared_mem <= 48KB (typical)
   

2. 线程数限制

   threads_per_block = (BM / TM) * (BN / TN)
   threads_per_block <= 1024
   

3. 寄存器限制

   registers_per_thread ≈ TM * TN + TM + TN + overhead
   registers_per_thread <= 255
   

内存优化

1. 内存合并 (Coalescing)

// 好: 连续访问
for (int i = 0; i < N; i++) {
    data[threadIdx.x + i * blockDim.x] = ...;
}

// 差: 跨步访问
for (int i = 0; i < N; i++) {
    data[threadIdx.x * N + i] = ...;
}

2. Bank Conflict 避免

共享内存有 32 个 bank，每个 bank 4 字节宽。

// 有 bank conflict
__shared__ float smem[32][32];
float val = smem[threadIdx.x][threadIdx.y];  // 同一 bank

// 无 bank conflict (padding)
__shared__ float smem[32][33];  // +1 padding
float val = smem[threadIdx.x][threadIdx.y];

3. 向量化加载

// 标量加载: 4 次内存事务
float a = A[idx];
float b = A[idx+1];
float c = A[idx+2];
float d = A[idx+3];

// 向量化加载: 1 次内存事务
float4 vec = *reinterpret_cast<float4*>(&A[idx]);

GPU 架构特定优化

Volta (SM 7.0)

• 独立线程调度
• L1 缓存配置灵活
• 建议: BM=128, BN=128

Turing (SM 7.5)

• Tensor Core 支持
• 异步拷贝预览
• 建议: 考虑 FP16

Ampere (SM 8.0)

• 异步拷贝 (cp.async)
• 更大的 L1 缓存
• 建议: 使用异步拷贝

// Ampere 异步拷贝
__pipeline_memcpy_async(&smem[idx], &gmem[idx], sizeof(float4));
__pipeline_commit();
__pipeline_wait_prior(0);

Ada Lovelace (SM 8.9)

• 改进的 Tensor Core
• 更高的时钟频率
• 建议: 最大化计算密度

性能分析工具

NVIDIA Nsight Systems

# 系统级分析
nsys profile -o report ./benchmark

# 查看报告
nsys-ui report.nsys-rep

NVIDIA Nsight Compute

# Kernel 级分析
ncu --set full -o report ./benchmark

# 特定 kernel
ncu --kernel-name "optimized_gemm" ./benchmark

关键指标

1. Occupancy: 活跃 warp / 最大 warp

   • 目标: >50%

2. Memory Throughput: 实际带宽 / 峰值带宽

   • 目标: >80%

3. Compute Throughput: 实际 FLOPS / 峰值 FLOPS

   • 目标: >70%

4. Stall Reasons:

   • Memory dependency
   • Execution dependency
   • Synchronization

常见问题

Q: 为什么小矩阵性能差?

A: 小矩阵无法充分利用 GPU 并行性。解决方案:

• 使用批量 GEMM
• 减小 block size
• 考虑 CPU 执行

Q: 为什么 double buffer 有时更慢?

A: Double buffer 增加共享内存使用，可能降低 occupancy。

• 检查共享内存使用量
• 对于小矩阵可能不值得

Q: 如何选择 FP16 vs FP32?

A:

• FP16: 2x 内存带宽，可能有精度损失
• FP32: 更高精度，更低带宽
• 建议: 权重用 FP16，累加用 FP32

Q: Bank conflict 如何检测?

A: 使用 Nsight Compute:

ncu --metrics l1tex__data_bank_conflicts_pipe_lsu_mem_shared_op_ld ./benchmark

性能检查清单

• [ ] 选择合适的 block size
• [ ] 确保内存访问合并
• [ ] 避免 bank conflict
• [ ] 使用向量化加载
• [ ] 考虑 double buffering
• [ ] 检查 occupancy
• [ ] 分析 stall 原因
• [ ] 测试不同矩阵大小