AI 时代的 GPU 生存工具包：每个开发人员必须了解的基本知识

随着传统的顺序算法到日益流行的并行算法，GPU 将成为加速复杂计算不可或缺的工具。在 AI 和机器学习任务等具有海量数据集和复杂的神经网络的架构中，GPU 的并行处理能力具有很大的优势。本文将深入探讨学习。

原文链接：https://journal.hexmos.com/gpu-survival-toolkit/

作者 | Rijul Rajesh译者| 弯月

责编 | 夏萌

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

为什么仅有 CPU 的知识还不够

在如今的 AI 时代，大多数开发人员接受过 CPU 相关知识的培训。这些知识已成为教学内容的一部分，因此一般我们都会以面向 CPU 的方式思考和解决问题。

然而，CPU 的问题在于它们依赖于顺序架构。在当今世界，我们依赖于大量并行任务，而 CPU 并不适合这些情况。

开发人员面临的问题包括：

执行并行任务

传统的 CPU 是线性运行的，一次执行一条指令。有这种限制是因为 CPU 通常拥有若干针对单线程性能进行过优化的强大核心。

在面对多个任务时，CPU 会分配资源来依次处理每个任务，即顺序执行指令。在需要同时关注大量任务的情况下，这种方法会变得效率低下。

虽然我们可以通过多线程等技术来提高 CPU 的性能，但其基本设计理念优先考虑的是顺序执行。

高效运行 AI 模型

AI模型采用 Transformer 等先进架构，利用并行处理来提高性能。与顺序运行的旧式循环神经网络 （RNN）不同，GPT 等现代Transformer 可以同时处理多个单词，从而提高训练的效率和能力。因为当我们并行训练时，就可以得到更大的模型，而更大的模型会生成更好的输出。

并行性的概念超越了自然语言处理，扩展到了图像识别等其他领域。例如，图像识别架构 Ale.NET 可以同时处理图像的不同部分，展现出了并行处理的强大功能，从而实现了准确的模式识别。

然而，以单线程性能为重心设计的 CPU 很难充分发挥并行处理的潜力。它们无法有效地分配和执行复杂的 AI 模型所需的大量并行计算。

因此，GPU 的开发变得越来越普遍，为的是满足 AI 应用程序中并行处理的特定需求，从而实现更高的效率和更快的计算。

如何利用 GPU 驱动开发解决这些问题

GPU 核心的大规模并行性

与 CPU 的核心相比，工程师们设计的 GPU 具有更小、高度专业化的核心。这种架构允许 GPU 同时执行多个并行任务。

GPU中的大量核心非常适合依赖于并行性的工作负载，例如图形渲染和复杂的数学计算。

在本文中，我们将演示如何利用 GPU 的并行性来缩短完成复杂的任务所需的时间。

AI 模型中使用的并行性

AI模型，特别是基于 TensorFlow 等深度学习框架构建的模型，展现出了高度的并行性。神经网络的训练涉及大量矩阵运算，而 GPU 凭借其庞大的核心数量，能够并行化这些运算。TensorFlow 以及其他流行的深度学习框架都进行了优化，能够利用 GPU 的能力来加速模型的训练和推理。

在本文中，我们将展示如何利用 GPU 的强大功能来训练神经网络。

CPU与 GPU 有何不同？CPU

顺序架构

中央处理单元（CPU）的设计重心是顺序处理。它们擅长线性执行一组指令。

CPU针对需要高单线程性能的任务进行了优化，例如

• 通用计算
• 系统操作
• 处理涉及条件分支的复杂算法

处理并行任务的核心数量有限

CPU的核心数量较少，消费级的处理器通常有 2~16个核心。每个核心都能够独立处理自己的指令集。

GPU

并行架构

图形处理单元（GPU）采用并行架构设计，能够高效地执行并行处理任务。

适合于：

• 渲染图形
• 执行复杂的数学计算
• 运行可并行的算法

GPU通过将多个任务分解为更小的并行子任务来同时处理多个任务。

数千个用于并行任务的核心

与 CPU 不同，GPU 拥有大量核心，通常高达数千个。这些核心组织成了流式多处理器（SM）或类似的结构。

丰富的核心使 GPU 能够同时处理大量数据，非常适合并行任务，例如图像和视频处理、深度学习和科学模拟等。

AWS GPU 实例：初学者指南

Amazon Web Services（AWS）提供各种用于机器学习等任务的 GPU 实例。

以下是不同类型的 AWS GPU 实例及其用例：

通用 GPU 实例

• P3 和 P4 实例作为多功能通用 GPU 实例，非常适合各种工作负载。
• 其中包括机器学习训练和推理、图像处理和视频编码。它们的各方面能力都很平衡，因此成为了各种计算任务的可靠选择。
• 价格：p3.2xlarge实例的费用为每小时 3.06 美元。
• 提供 1 个 16 GB GPU 内存的 NVIDIA Tesla V100 GPU。

推理优化 GPU 实例

• 推理指的是通过训练好的 AI 模型运行实时数据以进行预测或解决任务的过程。
• P5 和 Inf1 实例专门针对机器学习推理，在十分注重低延迟和成本的场合中有着出色表现。
• 价格：p5.48xlarge实例的费用为每小时 98.32 美元。
• 提供 8 个 NVIDIA H100 GPU，每个 GPU 80 GB 内存，共计 640 GB 显存。

图形优化 GPU 实例

• G4 实例主要用于处理图形密集型任务。
• 视频游戏开发人员可以使用 G4 实例来渲染视频游戏的 3D 图形。
• 价格：g4dn.xlarge的费用为每小时 0.526 美元。
• 提供 1 个 16 GB 内存的 NVIDIA T4 GPU。

托管 GPU 实例

• Amazon SageMaker是一项机器学习托管服务。提供支持各种 GPU 实例的访问，包括 P3、P4 和 P5 实例。
• 对于希望接触机器学习，同时不想操心底层基础设施管理的组织来说，SageMaker 是一个不错的选择。
• 价格：https://aws.amazon.com/sagemaker/pricing/?ref=journal.hexmos.com

使用 Nvidia 的 CUDA 进行GPU 驱动开发CUDA是什么？

CUDA是一款 NVIDIA 开发的并行计算平台和编程模型，可帮助开发人员利用 GPU 加速器的强大功能来提高应用程序的速度。

下面，我们将使用 CUDA 来展示一个示例。

设置 CUDA

你可以按照以下步骤操作，在计算机上设置 CUDA。

• 下载CUDA（https://developer.nvidia.com/cuda-downloads?ref=journal.hexmos.com）
• 通过上面的链接，下载基本的安装程序以及驱动程序安装程序。
• 打开主文件夹中的.bashrc，将以下内容添加到文件中： export PATH="/usr/local/cuda-12.3/bin:$PATH" export LD_LIBRARY_PATH="/usr/local/cuda-12.3/lib64:$LD_LIBRARY_PATH"
• 执行以下命令 sudo apt-get install cuda-toolkit sudo apt-get install nvidia-gds
• 重启系统。

在安装好 CUDA 后，你可以尝试以下命令。

LSPCI | grep VGA

此命令可识别并列出系统中的 GPU。

nvidia-smi

此命令为 NVIDIA System Management Interface（NVIDIA 系统管理界面）的缩写，可提供系统中有关 NVIDIA GPU 的详细信息，包括利用率、温度、内存使用情况等。

sudo lshw -C display

此命令可提供系统中有关显示控制器（包括显卡）的详细信息。

inxi -G

此命令可提供有关图形子系统的信息，包括有关 GPU 和显示器的详细信息。

sudo hwinfo --gfxcard

此命令可提供系统中有关显卡的详细信息。

使用 CUDA 框架

下面，我们来展示 CUDA 的一些具体功能。

数组加法问题

数组加法问题很适合演示 GPU 并行化。

考虑以下数组：

• 数组 A = [1,2,3,4,5,6]
• 数组 B = [7,8,9,10,11,12]
• 我们需要计算每个元素之和，并存储在数组C中。
• 即 C = [1+7,2+8,3+9,4+10,5+11,6+12] = [8,10,12,14,16,18]

如果由 CPU 来执行整个操作，则代码如下：

前一个循环遍历数组的每个元素，并依次执行加法。当需要处理大量数字时，这种方法就会由于其顺序执行的性质而变得缓慢。

为了克服这个限制，GPU 提供了一种解决方案：并行化加法运算。不同于依次执行运算的 CPU，GPU 可以同时执行多项加法。

例如，运算 1+7、2+8、3+9、4+10、5+11 和 6+12 可以借助 GPU 并行化同时执行。

利用 CUDA，实现并行加法的代码如下：

我们将使用内核文件(.cu)进行演示。

我们来逐行讲解代码。

• __global__ 表明该函数是一个内核函数，将在 GPU 上调用。
• vectorAdd 接受三个整数指针（a、b 和 c）作为参数，代表相加的向量。
• threadIdx.x 获取当前线程的索引（在一维网格中）。
• 向量 a 和 b 的相应元素之和存储在向量 c 中。

下面，我们来看看 main 函数。

创建指针 cudaA、cudaB 和 cudaC，指向 GPU 上的内存。

我们使用 cudaMalloc，为向量 cudaA、cudaB 和 cudaC 分配 GPU上的内存。

使用 cudaMemcpy 将向量 a 和b 的内容从主机复制到 GPU。

使用一个块和多个（数量等于向量大小）线程调用内核函数 vectorAdd。

将结果向量 cudaC 从 GPU 复制回主机。

然后就可以正常输出结果了：

我们使用 nvcc 命令执行这段代码。

输出如下：

完整的代码，请参见这里（https://Github.com/RijulTP/GPUToolkit/tree/main/array-addition?ref=journal.hexmos.com）。

使用 GPU 优化 Python/ target=_blank class=infotextkey>Python 中的图像生成

下面，我们来探讨如何使用 GPU 处理来优化性能密集型任务，例如图像生成。

曼德博集合是一种数学结构，可根据指定方程中特定数字的行为形成复杂的视觉模式。生成这种集合是一项资源密集型操作。

通过下面的代码片段，你可以了解到使用 CPU 处理生成曼德博集合的传统方法，该方法的速度很慢。

上面的代码生成结果需要耗费 4.07 秒。

为了提高速度，我们可以通过 Numba 库利用 GPU 的并行化。具体方法如下。

首先，我们导入 Numba 库的即时编译、用于 GPU 加速的 CUDA 以及其他实用程序。

@jit指示 Numba 执行即时编译，将 Python 代码转换为机器代码，以提高执行速度。

• mandel_gpu 是使用cuda.jit 创建的 mandel 函数的 GPU 兼容版本。它可以将 mandel 的逻辑卸载到 GPU。
• 为此，我们需要使用@cuda.jit，并指定函数参数的数据类型（f8 表示浮点数，uint32 表示无符号整数）。
• device=True 参数表示该函数将在GPU 上运行。

根据定义，mandel_kernel 将在 CUDA GPU 上执行。负责跨 GPU 线程并行生成曼德博集合。

接下来，我们可以在 create_fractal_gpu 函数中使用 GPU 加速的曼德博集合生成。create_fractal_gpu 函数需要分配 GPU 内存，启动 GPU 内核 (mandel_kernel)，并将结果复制回 CPU。

上述代码只需 0.0046 秒内就能执行完成。比之前的 CPU 的代码要快许多。

完整的代码，请参见这里（https://github.com/RijulTP/GPUToolkit/tree/main/mandelbrot?ref=journal.hexmos.com）。

使用 GPU 训练区分猫狗的神经网络

GPU在 AI 领域的应用是如今的热门话题之一，出于演示的目的，下面我们来创建一个用于区分猫和狗神经网络。

准备工作

• CUDA
• 安装Tensorflow：pip install tensorflow[and-cuda]
• 我们将使用kaggle 的猫狗数据集。
• 下载完成后，解压，将训练文件夹中的猫狗图片整理到不同的子文件夹，如下所示：

导入库：

• pandas 和 numpy：用于操作数据。
• Sequential：用于创建神经网络中叠放的线性层。
• Convolution2D、MaxPooling2D、Dense 和 Flatten：构建卷积神经网络（CNN）的各层。
• ImageDataGenerator：用于在训练期间进行实时数据增强。

初始化卷积神经网络（CNN）

加载训练数据

构建 CNN 架构

编译模型

训练模型

训练完成后，使用 classifier.save 将模型存储在 .h5 文件中。

在下面的代码中，我们将使用 trained_model.h5 来识别猫和狗。

输出如下：

完整的代码，请参见这里（https://github.com/RijulTP/GPUToolkit/tree/main/neural-network?ref=journal.hexmos.com）。

总结

在即将到来的 AI 时代，GPU 是不容忽视的存在，我们应该深入了解它的能力。

随着我们从传统的顺序算法过渡到日益流行的并行算法，GPU 将成为加速复杂计算不可或缺的工具。在 AI 和机器学习任务等具有海量数据集和复杂的神经网络的架构中，GPU 的并行处理能力具有很大的优势。

此外，GPU 已超出传统的机器学习领域，在科学研究、模拟和数据密集型任务中也有找到了应用。事实证明，GPU 的并行处理能力有助于解决药物发现、气候建模以及金融模拟等各个领域的难题。