为什么深度学习模型在 GPU 上运行得更快：CUDA 编程简介

news2025/2/25 12:00:55

如今，当我们谈论深度学习时，通常会将其实现与利用 GPU 来提高性能联系起来。

GPU（图形处理单元）最初设计用于加速图像、2D 和 3D 图形的渲染。然而，由于它们能够执行许多并行操作，因此它们的实用性超出了深度学习等应用程序。

GPU 在深度学习模型中的使用始于 2000 年代中后期，并在 2012 年左右随着 AlexNet 的出现而变得非常流行。 AlexNet 是由 Alex Krizhevsky、Ilya Sutskever 和 Geoffrey Hinton 设计的卷积神经网络，于 2012 年赢得了 ImageNet 大规模视觉识别挑战赛 (ILSVRC)。这一胜利标志着一个里程碑，因为它证明了深度神经网络在图像分类和识别方面的有效性。使用 GPU 训练大型模型。

这一突破之后，使用 GPU 进行深度学习模型变得越来越流行，这促成了 PyTorch 和 TensorFlow 等框架的创建。

现在，我们只是在 PyTorch 中编写 .to(“cuda”) 来将数据发送到 GPU，并期望加速训练。但深度学习算法在实践中如何利用 GPU 的计算性能呢？让我们来看看吧！

神经网络、CNN、RNN 和 Transformer 等深度学习架构基本上都是使用矩阵加法、矩阵乘法和将函数应用于矩阵等数学运算来构建的。因此，如果我们找到一种方法来优化这些操作，我们就可以提高深度学习模型的性能。

那么，让我们从简单的开始吧。假设您想要将两个向量 C = A + B 相加。

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在 C 中的一个简单实现是：

void AddTwoVectors(flaot A[], float B[], float C[]) {
   
    for (int i = 0; i < N; i++) {
   
        C[i] = A[i] + B[i];
    }
}

正如您所注意到的，计算机必须迭代向量，在每次迭代中按顺序添加每对元素。但这些操作是相互独立的。第 i 对元素的添加不依赖于任何其他对。那么，如果我们可以同时执行这些操作，并行添加所有元素对呢？

一种简单的方法是使用 CPU 多线程来并行运行所有计算。然而，当涉及深度学习模型时，我们正在处理包含数百万个元素的大量向量。一个普通的CPU只能同时处理大约十几个线程。这就是 GPU 发挥作用的时候！现代 GPU 可以同时运行数百万个线程，从而增强了海量向量上的数学运算的性能。

GPU 与 CPU 比较

尽管对于单个操作，CPU 计算可能比 GPU 更快，但 GPU 的优势依赖于其并行化能力。其原因是它们的设计目标不同。 CPU 的设计目的是尽可能快地执行一系列操作（线程）（并且只能同时执行数十个操作），而 GPU 的设计目的是并行执行数百万个操作（同时牺牲单个线程的速度）。

为了说明这一点，可以将 CPU 想象成一辆法拉利，将 GPU 想象成总线。如果您的任务是运送一个人，那么法拉利（CPU）是更好的选择。然而，如果您要运送几个人，即使法拉利（CPU）每次行程更快，公共汽车（GPU）也可以一次性运送所有人，比法拉利多次运送路线更快。因此，CPU 更适合处理顺序操作，GPU 更适合处理并行操作

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为了提供更高的并行能力，GPU 设计分配更多的晶体管用于数据处理，而不是数据缓存和流量控制，这与 CPU 分配大量晶体管用于此目的不同，以优化单线程性能和复杂指令执行。

下图展示了CPU vs GPU的芯片资源分布。

在这里插入图片描述
CPU 具有强大的内核和更复杂的高速缓存架构（为此分配大量晶体管）。这种设计可以更快地处理顺序操作。另一方面，GPU 优先考虑拥有大量核心以实现更高水平的并行性。

现在我们已经了解了这些基本概念，那么我们如何在实践中利用这种并行计算能力呢？

CUDA简介

当您运行某些深度学习模型时，您可能会选择使用一些流行的 Python 库，例如 PyTorch 或 TensorFlow。然而，众所周知，这些库的核心在底层运行 C/C++ 代码。此外，正如我们之前提到的，您可以使用 GPU 来加快处理速度。这就是 CUDA 发挥作用的地方！ CUDA 代表统一计算架构，它是 NVIDIA 开发的用于在 GPU 上进行通用处理的平台。因此，虽然游戏引擎使用 DirectX 来处理图形计算，但 CUDA 使开发人员能够将 NVIDIA 的 GPU 计算能力集成到他们的通用软件应用程序中，而不仅仅是图形渲染。

为了实现这一点，CUDA 提供了一个简单的基于 C/C++ 的接口 (CUDA C/C++)，该接口允许访问 GPU 的虚拟指令集和特定操作（例如在 CPU 和 GPU 之间移动数据）。

在进一步讨论之前，让我们先了解一些基本的 CUDA 编程概念和术语：

主机：指CPU及其内存；
device：指GPU及其内存；
kernel：指在设备（GPU）上执行的函数；

因此，在使用 CUDA 编写的基本代码中，程序在主机 (CPU) 上运行，将数据发送到设备 (GPU) 并启动要在设备 (GPU) 上执行的内核（函数）。这些内核由多个线程并行执行。执行后，结果从设备（GPU）传回主机（CPU）。

让我们回到两个向量相加的问题：

#include <stdio.h>

void AddTwoVectors(flaot A[], float B[], float C[]) {
   
    for (int i = 0; i < N; i++) {
   
        C[i] = A[i] + B[i];
    }
}

int main() {
   
    ...
    AddTwoVectors(A, B, C);
    ...
}

在 CUDA C/C++ 中，程序员可以定义称为内核的 C/C++ 函数，这些函数在调用时会由 N 个不同的 CUDA 线程并行执行 N 次。

要定义内核，可以使用 global 声明说明符，并且可以使用 <<<…>>> 表示法指定执行该内核的 CUDA 线程数：

#include <stdio.h>

// Kernel definition
__global__ void AddTwoVectors(float A[], float B[], float C[]) {
   
    int i = threadIdx.x;
    C[i] = A[i] + B[i];
}

int main() {
   
    ...
    // Kernel invocation with N threads
    AddTwoVectors<<<1, N>>>(A, B, C);
    ...
}

每个线程执行内核，并被赋予一个唯一的线程 ID threadIdx ，可通过内置变量在内核中访问。上面的代码将两个大小为 N 的向量 A 和 B 相加，并将结果存储到向量 C 中。您可以注意到，CUDA 允许我们同时执行所有这些操作，而不是按顺序执行每个成对加法的循环，并行使用 N 个线程。

但在运行这段代码之前，我们需要进行另一次修改。请务必记住，内核函数在设备 (GPU) 内运行。所以它的所有数据都需要存储在设备内存中。您可以使用以下 CUDA 内置函数来完成此操作：

#include <stdio.h>

// Kernel definition
__global__ void AddTwoVectors(float A[], float B[], float C[]) {
   
    int i = threadIdx.x;
    C[i] = A[i] + B[i];
}

int main() {
   

    int N = 1000; // Size of the vectors
    float A[N], B[N], C[N]; // Arrays for vectors A, B, and C

    ...

    float *d_A, *d_B, *d_C; // Device pointers for vectors A, B, and C

    // Allocate memory on the device for vectors A, B, and C
    cudaMalloc((void **)&d_A, N * sizeof(float));
    cudaMalloc((void **)&d_B,