float 在 CUDA

float在CUDA中的特性与精度问题
本文详细介绍了 IEEE 754 标准下浮点数的存储格式,包括符号位、指数位和尾数位。在 CUDA 环境中,浮点数的精度和表示方式对计算结果有直接影响。CUDA 支持单精度和双精度,并提供了硬件加速的 Fused Multiply-Add (FMA) 操作。根据不同的计算策略,如 serial、FMA 和 parallel 方法,精度和效率会有所不同。了解这些基础知识对于优化 CUDA 程序至关重要。
这篇文章主要为了说明float的相关背景和float在CUDA中的特性。
先说说 float 相关背景:
关于 float 在 MSDN 中的说明可以参考:

https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/hd7199ke.aspx

浮点数使用 IEEE 75(电气和电子工程师协会)格式。 浮点类型的单精度值具有 4 个字节,包括一个符号位、一个 8 位 excess-127 二进制指数和一个 23 位尾数。 尾数表示一个介于 1.0 和 2.0 之间的数。 由于尾数的高顺序位始终为 1,因此它不是以数字形式存储的。 此表示形式为 float 类型提供了一个大约在 3.4E–38 和 3.4E+38 之间的范围。

这里的有效位就是数据表示的精度,6~7位有效数字。

float总结:
共计 32 位,4 字节
由最高到最低位分别是第 31 、 30 、 29 、……、 0 位
31 位是符号位, 1 表示该数为负, 0 反之。
30-23 位,一共 8 位是指数位。
22-0 位,一共 23 位是尾数位。

更详细表示参见博文:浮点数在计算机中存储方式(转) 

注意点:

1. MSDN: “由于指数是以无符号形式存储的,因此指数的偏差为其可能值的一半。 对于 float 类型,偏差(offset 偏移)为 127;对于 double 类型,偏差(offset 偏移)为 1023。 您可以通过将指数值减去偏差值来计算实际指数值。 ”

这句话中提到指数是以无符号形式存储的,

### CUDA 中 bfloat16 的支持与使用 在现代GPU架构中,为了提高推理服务的效率和性能,NVIDIA引入了多种数据类型来优化不同应用场景下的计算需求。对于低精度浮点数运算而言,bfloat16作为一种新兴的数据表示方法,在保持较高数值范围的同时减少了存储空间占用,并加速了特定类型的矩阵乘法操作[^1]。 #### 支持状况 自Ampere架构起,NVIDIA GPU全面增强了对bfloat16的支持,不仅限于张量核心(Tensor Cores),还包括常规CUDA核(CUDA cores)。这意味着开发者可以在更多场景下利用这种高效的半精度格式执行算术逻辑单元(ALU)指令以及加载/存储命令。此外,cuDNN库也已经加入了针对卷积神经网络(CNNs)训练过程中涉及的关键函数的bfloat16版本实现[^2]。 #### 使用指南 要在CUDA程序里启用bfloat16功能,需遵循如下几点: - 编译器选项设置:当编译含有bfloat16代码的应用时,应指定相应的NVCC标志以确保正确处理该类型; - 数据传输管理:由于主机端通常不具备原生bfloat16硬件支持,因此可能需要借助__host_to_device_copy()等辅助API完成必要的转换工作; - 内存分配策略调整:考虑到潜在的不同步问题,建议采用统一内存(UM)机制或者显式地为设备侧预留专门区域存放此类变量; 下面给出一段简单的示例代码片段展示如何声明并初始化一个bfloat16数组: ```cpp #include <cuda_bf16.h> // 声明bf16指针 __global__ void kernel(__nv_bfloat16 *data){ int idx = threadIdx.x; data[idx] = __float2bfloat16((float)(idx)); } int main(){ const size_t N = 1<<10; // 分配pinned host memory & device memory __nv_bfloat16* h_data; cudaMallocHost(&h_data, sizeof(__nv_bfloat16)*N); __nv_bfloat16* d_data; cudaMalloc(&d_data,sizeof(__nv_bfloat16)*N); // Launch Kernel kernel<<<1,N>>>(d_data); // Copy result back to Host cudaMemcpy(h_data,d_data,sizeof(__nv_bfloat16)*N,cudaMemcpyDeviceToHost); free(h_data); cudaFree(d_data); } ``` 此段代码创建了一个内核用于填充由`__nv_bfloat16`构成的一维向量,并将其结果复制回宿主端以便后续分析或显示。
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