NVIDIA Ampere GPU架构的CUDA应用程序兼容性指南
基于NVIDIA安培GPU架构构建CUDA应用程序的指南。
1. NVIDIA安培GPU架构兼容性
1.1. 关于本文档
本应用说明《NVIDIA Ampere GPU架构CUDA应用兼容性指南》旨在帮助开发者确保其NVIDIA® CUDA®应用程序能够在基于NVIDIA® Ampere架构的GPU上运行。本文档为熟悉CUDA C++编程的开发者提供指导，帮助他们确保软件应用与NVIDIA Ampere GPU架构兼容。
1.2. NVIDIA安培GPU架构上的应用兼容性
CUDA应用程序二进制文件（包含一个或多个GPU内核）可以以两种形式包含已编译的GPU代码：二进制cubin对象和每个内核的前向兼容PTX汇编。cubin和PTX都是针对特定目标计算能力生成的。为某个计算能力生成的cubin支持在具有相同主版本号和相同或更高次版本号计算能力的GPU上运行。例如，为计算能力7.0生成的cubin支持在计算能力7.5的GPU上运行，但为计算能力7.5生成的cubin不支持在计算能力7.0的GPU上运行，而为计算能力7.x生成的cubin不支持在计算能力8.x的GPU上运行。
内核也可以编译为PTX格式。在应用程序加载时，PTX会被编译为cubin，然后使用该cubin执行内核。与cubin不同，PTX具有向前兼容性。这意味着PTX支持在任何计算能力高于生成该PTX时假设的计算能力的GPU上运行。例如，为计算能力7.x生成的PTX代码可以支持在计算能力7.x或任何更高版本（主版本或次版本）上运行，包括计算能力8.x。因此，虽然这是可选的，但建议所有应用程序都应包含内核的PTX以确保向前兼容性。要了解更多关于cubin和PTX兼容性的信息，请参阅编程指南中的使用NVCC编译。
当CUDA应用程序在GPU上启动内核时，CUDA运行时会检测系统中GPU的计算能力，并利用该信息寻找与之最匹配的内核cubin或PTX版本。如果二进制文件中存在与该GPU兼容的cubin，则直接使用该cubin执行。否则，CUDA运行时会先通过即时编译1PTX生成兼容的cubin，随后使用该cubin执行。若既无兼容cubin也无PTX可用，则内核启动将失败。
包含内核PTX版本的应用二进制文件，应可直接在基于NVIDIA安培架构的GPU上运行。此类情况下无需重新构建应用程序。但若应用二进制文件未包含PTX（仅包含cubins），则需重新构建才能在基于NVIDIA安培架构的GPU上运行。要了解更多关于构建兼容应用的信息，请阅读Building Applications with the NVIDIA Ampere GPU Architecture Support。
1.3. 验证现有应用对Ampere架构的兼容性
使CUDA应用程序兼容NVIDIA Ampere GPU架构的第一步是检查应用程序二进制文件是否已包含兼容的GPU代码（至少包含PTX）。以下部分将说明如何为已构建的CUDA应用程序实现这一目标。
1.3.1. 基于CUDA Toolkit 10.2或更早版本构建的应用程序
使用CUDA Toolkit 2.1至10.2版本构建的CUDA应用程序，只要其内核包含PTX版本，即可与基于NVIDIA Ampere架构的GPU兼容。可通过以下步骤强制在应用程序加载时进行PTX到JIT的编译来测试兼容性：
从https://www.nvidia.com/drivers下载并安装最新驱动程序。
设置环境变量
CUDA_FORCE_PTX_JIT=1。启动应用程序。
当设置CUDA_FORCE_PTX_JIT=1时，应用程序二进制文件中嵌入的GPU二进制代码将被忽略。相反，每个内核的PTX代码将通过即时编译(JIT)生成GPU二进制代码。如果应用程序不包含PTX代码，则执行将失败。这意味着该应用程序与NVIDIA Ampere GPU架构不兼容，需要重新构建以获得兼容性。另一方面，如果应用程序在此环境变量设置下正常工作，则表明该应用程序与NVIDIA Ampere GPU架构兼容。
注意
测试完成后请务必取消设置CUDA_FORCE_PTX_JIT环境变量。
1.3.2. 基于CUDA Toolkit 11.0构建的应用程序
使用CUDA Toolkit 11.0构建的CUDA应用程序与NVIDIA Ampere GPU架构兼容，只要它们构建时包含原生cubin（计算能力8.0）或PTX形式的内核，或两者兼有。
1.4. 基于NVIDIA Ampere GPU架构支持构建应用
根据用于构建应用程序的CUDA Toolkit版本，可以构建包含针对NVIDIA Ampere GPU架构的PTX和/或原生cubin。虽然仅包含PTX就足够，但包含原生cubin还具有以下优势：
它节省了终端用户JIT编译仅以PTX形式提供的内核所需的时间。所有没有原生cubin的内核都会从PTX进行JIT编译，包括链接到应用程序的所有库中的内核，即使这些内核从未被应用程序启动过。特别是在使用大型库时，这种JIT编译可能会耗费大量时间。CUDA驱动程序会缓存PTX JIT生成的cubin，因此对用户来说这主要是一次性成本，但最好尽可能避免这种时间消耗。
PTX即时编译的内核通常无法利用新型GPU的架构特性，这意味着原生编译的cubin可能速度更快或精度更高。
1.4.1. 使用CUDA Toolkit 10.x或更早版本构建应用程序
CUDA Toolkit 10.x版本（10.0、10.1和10.2）中包含的nvcc编译器可以生成本地支持Volta和Turing架构（计算能力7.x）的cubin文件。使用CUDA Toolkit 10.x时，为确保nvcc能为所有近期GPU架构生成cubin文件，同时生成PTX版本以实现与未来GPU架构的前向兼容，需在nvcc命令行中指定适当的-gencode=参数，如下例所示。
Windows
nvcc.exe -ccbin "C:\vs2010\VC\bin"
-Xcompiler "/EHsc /W3 /nologo /O2 /Zi /MT"
-gencode=arch=compute_52,code=sm_52
-gencode=arch=compute_60,code=sm_60
-gencode=arch=compute_61,code=sm_61
-gencode=arch=compute_70,code=sm_70
-gencode=arch=compute_75,code=sm_75
-gencode=arch=compute_75,code=compute_75
--compile -o "Release\mykernel.cu.obj" "mykernel.cu"
Mac/Linux
/usr/local/cuda/bin/nvcc
-gencode=arch=compute_52,code=sm_52
-gencode=arch=compute_60,code=sm_60
-gencode=arch=compute_61,code=sm_61
-gencode=arch=compute_70,code=sm_70
-gencode=arch=compute_75,code=sm_75
-gencode=arch=compute_75,code=compute_75
-O2 -o mykernel.o -c mykernel.cu
或者，也可以使用简化的nvcc命令行选项-arch=sm_XX。它相当于上面使用的更详细的-gencode=命令行选项的简写形式。-arch=sm_XX会扩展为以下内容：
-gencode=arch=compute_XX,code=sm_XX
-gencode=arch=compute_XX,code=compute_XX
然而，虽然-arch=sm_XX命令行选项默认确实会包含PTX后端目标二进制文件，但它每次只能指定一个目标cubin架构，并且无法在同一条nvcc命令行中使用多个-arch=选项，这就是为什么上述示例显式使用-gencode=的原因。
对于10.0版本之前的CUDA工具包，需要根据特定工具包版本支持的架构移除一个或多个-gencode选项（例如，CUDA工具包9.x最高支持_60和_61架构）。同时需要更新用于生成PTX的最终-gencode参数——更多信息和示例请参阅特定CUDA工具包版本的文档。
注意
compute_XX 指代PTX版本，而 sm_XX 指代cubin版本。nvcc 的 -gencode= 命令行选项中的 arch= 子句指定前端编译目标，必须始终是PTX版本。code= 子句指定后端编译目标，可以是cubin或PTX或两者。只有 code= 子句指定的后端目标版本会被保留在最终二进制文件中；至少应包含一个PTX版本以确保与未来架构的兼容性。
1.4.2. 使用CUDA Toolkit 11.0构建应用程序
从CUDA Toolkit 11.0版本开始，nvcc能够生成原生支持NVIDIA安培GPU架构（计算能力8.0）的cubin文件。使用CUDA Toolkit 11.0时，为确保nvcc能为所有近期GPU架构生成cubin文件，同时生成PTX版本以保持与未来GPU架构的前向兼容性，需按照以下示例在nvcc命令行中指定相应的-gencode=参数。
Windows
nvcc.exe -ccbin "C:\vs2010\VC\bin"
-Xcompiler "/EHsc /W3 /nologo /O2 /Zi /MT"
-gencode=arch=compute_52,code=sm_52
-gencode=arch=compute_60,code=sm_60
-gencode=arch=compute_61,code=sm_61
-gencode=arch=compute_70,code=sm_70
-gencode=arch=compute_75,code=sm_75
-gencode=arch=compute_80,code=sm_80
-gencode=arch=compute_80,code=compute_80
--compile -o "Release\mykernel.cu.obj" "mykernel.cu"
Mac/Linux
/usr/local/cuda/bin/nvcc
-gencode=arch=compute_52,code=sm_52
-gencode=arch=compute_60,code=sm_60
-gencode=arch=compute_61,code=sm_61
-gencode=arch=compute_70,code=sm_70
-gencode=arch=compute_75,code=sm_75
-gencode=arch=compute_80,code=sm_80
-gencode=arch=compute_80,code=compute_80
-O2 -o mykernel.o -c mykernel.cu
注意
compute_XX 指代PTX版本，而 sm_XX 指代cubin版本。nvcc 的 -gencode= 命令行选项中的 arch= 子句指定前端编译目标，必须始终是PTX版本。code= 子句指定后端编译目标，可以是cubin或PTX或两者。只有 code= 子句指定的后端目标版本会被保留在最终二进制文件中；至少应包含一个PTX版本以确保与未来架构的兼容性。
1.4.3. 独立线程调度兼容性
自Volta架构起，NVIDIA GPU在warp内的线程间实现了独立线程调度功能。若开发者此前对warp同步性2存在假设，该特性可能导致实际执行代码的线程集合与旧架构有所不同。具体细节及修正方案请参阅编程指南中的计算能力7.0章节。为协助开发者迁移至NVIDIA Ampere GPU架构，可通过以下编译器选项组合启用Pascal调度模型。
nvcc -gencode=arch=compute_60,code=sm_80 ...
2. 版本历史
版本 1.0
首次公开发布。
3. 通知
3.1. 注意事项
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3.2. OpenCL
OpenCL是苹果公司的商标，经Khronos Group Inc.授权使用。
3.3. 商标
NVIDIA和NVIDIA标识是美国及其他国家NVIDIA公司的商标或注册商标。其他公司及产品名称可能是其各自关联公司的商标。