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wzjs 2025/7/18 17:48:28

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本文会通过把AMD的RDNA3架构为例比喻为**“施工公司”**工作模式，深入理解GPU如何高效处理顶点着色、像素计算等任务。

一、施工公司的组织架构

1. 施工公司（WGP）与施工队（CU）

WGP（Work Group Processor）：相当于一个大型施工公司，负责统筹管理两个施工队。
CU（Compute Unit）：每个WGP下属的两个施工队。
SIMD模式：每个施工队会有两个小分队，小分队采用“批量施工”模式——比如挖土就所有点位一起挖土，倒混凝土就全部一起倒混凝土，铺钢筋就一起铺钢筋，即使有的点位提前完成了挖土，也要等其他的点位都完成才能倒混凝土（这就是Single Instruction Multiple Data (SIMD)，单指令多数据架构——每个线程各自处理一个顶点或者像素，执行相同的指令，但是处理不同的数据）。

2. 施工队的两种工作模式

Wave32和Wave64：
基于SIMD模式，施工小分队的工作要么32点位一组一起干，或者64点位为一组一起干（wave32/wave64，即32线程一组或者64线程一组）。也就是wave32和wave64。
- Wave32模式：32个点位（线程）为一组，适合复杂任务（如分支判断多的场景）。
- Wave64模式：64个点位为一组，适合简单重复任务（如大规模矩阵计算）。
wavefront
- 如果施工小分队只有一个任务，那当这个任务中发生等待材料送达、等待水泥这些情况的时候，就会浪费时间。所以施工队会做多个任务。（RDNA3的wavefront 类似于 NVIDIA 的 warp，都是调度和执行的基本单位。每个 wavefront 包含多个线程，通常是32个。这些线程在同一个指令下同步执行，换句话说，同一个 wavefront 中的线程会执行相同的指令，但处理不同的数据。
- 每个施工队会做多少个任务要看资源的情况，最多做16个任务（因为RDNA 3则每个SIMD有16个slot）。
- 虽然会做多个任务，但是同一时刻一个施工小分队只能执行一个任务。但是任务不必按顺序执行，也不需要连续地执行完一个任务中的所有步骤。（一个SIMD上一次只能执行一个wavefront。但是分配的这些wavefront不必按顺序执行，也不需要连续地执行完一个wavefront的所有指令）

二、任务分配的核心逻辑

2. 自动组队：隐式并行化

顶点/像素处理：当GPU需要顶点或800万像素，比如说绘制三角形，那么顶点着色器处理3个顶点；如果渲染4K画面，那么片段着色器需要处理830万像素。不管是3个顶点还是830万像素，硬件都会自动将它们打包：
- 每凑满32或64个点位，就分配给一个小分队。
- 程序员无需手动分组，完全由硬件和驱动自动完成。
计算着色器例外：compute shader需显式指定线程组大小（如[numthreads(64,1,1)]），这是唯一需要程序员干预的场景。

2. 分组规模的选择依据

编译器与驱动的幕后优化：
- 分支复杂任务（如光线追踪中的条件判断）：优先选择Wave32模式，减少分支等待时间。
- 计算密集型任务（如纹理生成）：采用Wave64模式，最大化吞吐量。
程序员无需干预：优化过程完全由编译器和驱动根据代码特征自动完成。

三、资源管理：施工队的“生存法则”

1. 三大核心资源

资源类型	比喻	技术对应	容量限制（每CU）	特性
ALU	施工工人	算术逻辑单元	128个	同一时间只服务一个Wavefront
SGPR	公共工作手册	标量寄存器（常量、全局变量）	1024个	全队共享，内容统一
VGPR	各个施工点位工具箱	向量寄存器（线程私有变量）	2048个	每个线程独立占用，限制分队数量
LDS	公司内部仓库	本地数据存储（线程组共享内存）	64KB （验证？）	仅限本WGP使用，跨公司不可共享

2. 资源争夺与性能瓶颈

VGPR的致命影响：
若每个Wavefront需256个VGPR，则每CU最多驻留 (2048 / 256 = 8) 个Wavefront，导致50%的算力闲置。
LDS的协作限制：
若一个线程组申请32KB LDS，则同一WGP最多同时运行2个线程组（64KB / 32KB）。

四、优化手段

减少VGPR占用
- 复用寄存器变量，避免冗余存储。
- 示例：将临时计算结果直接用于下一阶段，而非创建新变量。
规避分支发散
- 用掩码运算替代条件分支（如 result = a * mask + b * (1 - mask)）。
- 统一控制流：尽量让所有线程走相同逻辑路径。
LDS的智慧使用
- 高频访问数据预加载到LDS（如粒子系统的位置信息）。
- 避免单个线程组占用超过50% LDS容量。
工具辅助分析
- 使用 Radeon GPU Profiler 监控Occupancy和资源瓶颈。
- 关注编译器警告（如VGPR/LDS超额分配提示）。