AMD RDNA3 GPU架构解析

如果你对AMD的RDNA3还不了解，在profile过程中的指标无法完全理解一些指标，比如说你听过着色器性能方面指标"occupancy"，听说它有助于隐藏内存 latency，但不理解其中的具体用法，那这篇文章将对你有一些帮助。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。
- 每个施工队会做多少个任务要看资源的情况。
- 每个施工队最多做16个任务。
- 同一时刻一个施工小分队只能执行一个任务。
- 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。

任务相当于RDNA3的wavefront 的概念，wavefront 类似于 NVIDIA 的 warp，都是GPU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。
一个着色器在SIMD上运行所需的资源量是在编译时评估好的，一般来说，资源指的是：VGPR（Vector General Purpose Registers，向量通用寄存器）、SGPR（Scalar General Purpose Registers，标量通用寄存器）和称为LDS（Local Data Share，本地数据共享）的“groupshared”内存
RDNA 3则每个SIMD有16个slot
一个SIMD上一次只能执行一个wavefront
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

1. 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. 资源分类

资源类型	比喻	技术对应	容量限制（数字不一定准确)	特性
ALU	施工工人	算术逻辑单元	32个每SIMD	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个每SIMD	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SIMD	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）	128KB每WGP	仅限本WGP使用，跨公司不可共享

2. SIMD32和VALU的关系

硬件实现：每个SIMD32 对应 32个物理VALU阵列
- 例如：v_mov_b32 或者v_add_f32 指令会在SIMD32单元内同时修改32个work-item的VGPR
- 指令举例：
```
v_add_f32 v0, v1, v2 // 该指令在32个VALU上并行执行
```
VALU是GPU核心计算资源
- 作用：VALU全程Vector Arithmetic Logic Unit，用来处理每个work-item的独立数据。
- 典型场景：顶点坐标变换、像素颜色计算、物理模拟中的粒子位置更新。
- 特点：通过SIMD实现大规模并行。

3. VGPR容量限制

每个SIMD32可驻留的wavefront数量由以下公式决定：
$\text{Max Wavefronts/SIMD} = \left\lfloor \frac{\text{Total VGPRs}}{\text{VGPRs/Wave} \times 32} \right\rfloor$ 示例：

假设Shader需要64 VGPRs/work-item
每个SIMD32的VGPR总量为2,048
则每个SIMD32最多容纳：
$\lfloor 2048 ÷ (64×32) \rfloor = \lfloor 2048÷2048 \rfloor = 1$ wavefront

4. LDS容量限制

每个work-group的LDS分配会约束wavefront调度：

// 示例：光线追踪Shader的LDS使用
shared float3 local_positions[256]; // 占用256×12B=3KB

四、优化手段

1.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。

2.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。

3. 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。

4. 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）。

五、RGP 性能指标

1. wavefront特性回顾

- wavefront 是GPU调度和执行的基本单位。
- 每个 wavefront 包含多个线程，通常是32个，同一个 wavefront 中的线程会执行相同的指令，但处理不同的数据。
- RDNA3的每个SIMD有16个wavefront  slot。
-  一个SIMD上一次只能执行一个wavefront。
- 一个SIMD上的这些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。

2. latency

-  **latency 的产生过程**：GPU在一个SIMD选中了一个wavefront A，开始执行一些ALU计算，执行的过程中wavefront A需要从内存中获取数据（例如对纹理进行采样）。根据最近是否访问过这个数据，这个需求可能会经过整个缓存层次结构，最终到达主内存（memory）然后才返回，这个过程可能需要数百个时钟周期，如果这个SIMD单元中没有其他wavefront在运行，那这个SIMD单元只能等待wavefront A的数据返回，期间会处于空闲状态，浪费计算资源。然而，如果有多个正在执行的wavefront，GPU可以在wavefront A等待数据的时候，立即切换到另一个wavefront，比如wavefront B，并开始执行wavefront B的任务。最好的情况就是wavefront B刚好需要先执行一些ALU计算然后再去在内存中获取数据。这样一来，**wavefront B花费的在执行ALU计算的时钟周期，正好可以隐藏wavefront A为了获取数据而带来的等待，称为隐藏了这个latency**。如果有SIMD中有足够多的wavefront交替运行执行ALU计算和内存访问操作，SIMD单元就可以始终有活干，几乎不会空闲，几乎没有算力浪费。

3. Occupancy。

- **latency 的度量指标**：Occupancy是已分配的wavefront数量与最大可用slot之间的比率。从RDNA2开始，对于单个SIMD，Occupancy = 已分配的wavefront数量除以16。举个例子，如果一个SIMD中有4个正在运行的wavefront，那么Occupancy就是4 / 16 = 25%。所以**Occupancy也可以解释为SIMD隐藏latency 的能力：occupancy越大，隐藏latency 的能力越好**：如果occupancy是1 / 16，这意味着如果wavefront必须等待某些内容， latency 将无法被隐藏，因为没有其他wavefront被分配给这个SIMD。如果只看隐藏latency的能力，一个SIMD的occupancy最理想的情况是16 / 16。
- **RGP中查看Occupancy**：RGP中可以查看occupancy的理论值以及实际测量值。
	- occupancy的理论值：用于判断occupancy会受到什么资源的限制：比如受VGPR的限制或者LDS的限制。同时RGP也会告诉你需要节约出多少资源才能够多分配一个wave。
	- occupancy的实际测量值：occupancy的理论值是实际测量值的上限，如果实际测量无法达到理论值，则可以判断，要么没有足够的工作来填满所有的slot，要么GPU无法快速启动这些wavefront 。