StructKernelBench

结构仿真核心算子的 CPU/GPU 性能对比实验。从CAE 流程中抽取计算热点，对比手写并行实现与工业级库的性能差距。

---

CSR-SpMV

稀疏矩阵向量乘 y = A·x，有限元迭代求解的基础热点。典型的内存带宽受限算子。

后端

后端	说明
baseline	CPU 单线程，标准 CSR 循环
OpenMP	#pragma omp parallel for 按行并行
SIMD	编译器自动向量化 (-O3 -march=native -ffast-math)
CUDA	手写 kernel，每行一线程
cuSPARSE	NVIDIA 官方库，作为工业级性能上界参考

对比目的

baseline → OpenMP → SIMD → CUDA(手写) → cuSPARSE(工业级)
                                         ↑
                                 手写优化离工业级还有多远？

---

Von Mises

6 分量应力张量 → Von Mises 等效应力标量。有限元后处理的经典热点，典型的计算密集型算子。

后端

后端	说明
baseline	CPU 单线程，逐元素计算
OpenMP	#pragma omp parallel for 按元素并行
SIMD	编译器自动向量化 (-O3 -march=native -ffast-math)
CUDA	手写 kernel，单元素单线程
Thrust	NVIDIA 并行算法库，thrust::transform 工业级参考

对比目的

baseline → OpenMP → SIMD → CUDA(手写) → Thrust(工业级)
                                         ↑
                                 手写优化离 Thrust 还有多远？

---

MaxStressEnvelope

多工况最大应力包络：N 个载荷工况 × M 个单元，逐单元取 Von Mises 应力最大值。典型的分段归约模式。

后端

后端	说明
baseline	CPU 单线程，逐元素遍历工况取 max
OpenMP	#pragma omp parallel for 按元素并行
SIMD	编译器自动向量化，内层工况循环连续访存
CUDA	手写融合 kernel，单元素单线程，寄存器内归约
CUB	NVIDIA 底层原语库，DeviceSegmentedReduce::Max 工业级分段归约

对比目的

baseline → OpenMP → SIMD → CUDA(手写融合) → CUB(工业级分段归约)
                                             ↑
                                手写融合 kernel 离 CUB 原语还有多远？

---

Dense GEMM

稠密矩阵乘 C = A·B，结构仿真中局部矩阵运算、坐标变换和块运算的基础计算模式。典型的计算密集型算子。

后端

后端	说明
baseline	CPU 单线程，标准三重循环
OpenMP	#pragma omp parallel for 按输出行并行
SIMD	编译器自动向量化提示 (-O3 -march=native -ffast-math)
CUDA	手写 tiled GEMM kernel，共享内存分块
cuBLAS	NVIDIA 官方 BLAS 库，cublasSgemm 工业级参考

对比目的

baseline → OpenMP → SIMD → CUDA(手写 tiled) → cuBLAS(工业级)
                                                 ↑
                                    手写 GEMM 离 cuBLAS 还有多远？

---

项目结构

StructKernelBench/
├── CMakeLists.txt
├── common/
│   ├── main.cpp                    # 启动器: QTabWidget 多算子切换
│   └── bench_utils.h / .cpp        # Timer, CsvWriter, median
├── ui/                             # Qt6 界面（所有算子共用）
│   ├── BenchmarkPanel.h / .cpp
│   ├── ResultChartView.h / .cpp
│   ├── SpmvMainWidget.h / .cpp
│   ├── VonMisesMainWidget.h / .cpp
│   └── EnvelopeMainWidget.h / .cpp
├── CSR-SpMV/
│   ├── kernels/                    # 计算实现
│   │   ├── baseline.h / .cpp
│   │   ├── openmp.h / .cpp
│   │   ├── simd.h / .cpp
│   │   ├── cuda_kernel.h / .cu
│   │   └── cusparse_kernel.h / .cu
│   └── spmv_runner.h / .cpp       # 数据生成、计时、验证
├── VonMises/
│   ├── kernels/
│   │   ├── baseline.h / .cpp
│   │   ├── openmp.h / .cpp
│   │   ├── simd.h / .cpp
│   │   ├── cuda_kernel.h / .cu
│   │   └── thrust_kernel.h / .cu
│   └── vonmises_runner.h / .cpp
├── MaxStressEnvelope/
    ├── kernels/
    │   ├── baseline.h / .cpp
    │   ├── openmp.h / .cpp
    │   ├── simd.h / .cpp
    │   ├── cuda_kernel.h / .cu
    │   └── cub_kernel.h / .cu
    └── envelope_runner.h / .cpp
└── DenseGEMM/
    ├── kernels/
    │   ├── baseline.h / .cpp
    │   ├── openmp.h / .cpp
    │   ├── simd.h / .cpp
    │   ├── cuda_kernel.h / .cu
    │   └── cublas_kernel.h / .cu
    └── densegemm_runner.h / .cpp

构建

mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build . -j$(nproc)
./StructKernelBench

依赖：Qt6 (Widgets + Charts)，可选 CUDA Toolkit + OpenMP（CMake 自动检测）。

许可

MIT