Learning CUDA step-by-step

作者 | 微动变量  编辑 | 自动驾驶之心

原文链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/715018829

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学习某种工具最好的办法就是实践,深入浅出,首先对CUDA的概念和关键定义有个了解,在脑子里形成简易记忆,知道下次遇到这个概念去哪里翻找;下一步定一个实践目标,例如去魔改某个开源库或者整合几个开源库。

step1: 概念

查看本专栏其他几篇关于CUDA的文章

step2: 实践

< Probing the Efficacy of Hardware-Aware Weight Pruning to Optimize the SpMM routine on Ampere GPUs > , PACT2022

https://gac.udc.es/~basilio/papers/Castro22-MLSparse.pdf

GitHub - UDC-GAC/CLASP: CoLumn-vector pruning-Aware SPmm kernel

<MARLIN: Mixed-Precision Auto-Regressive Parallel Inference on Large Language Models>

https://github.com/IST-DASLab/Sparse-Marlin

https://www.microsoft.com/en-us/research/uploads/prod/2023/05/N_M_Sparse_kernels__MLSys23.pdf

https://github.com/microsoft/SparTA/tree/nmsparse

《Flash-LLM: Enabling Cost-Effective and Highly-Efficient Large Generative Model Inference with Unstructured Sparsity》

https://arxiv.org/pdf/2309.10285

https://github.com/AlibabaResearch/flash-llm

其他参考:

https://github.com/NVIDIA/CUDALibrarySamples

https://github.com/zchee/cuda-sample

GitHub - google-research/sputnik: A library of GPU kernels for sparse matrix operations.

https://github.com/wangsiping97/FastGEMV

https://github.com/Guangxuan-Xiao/SPMM-CUDA

整合以上三篇工作,对比它们在N:M剪枝方法中常见稀疏矩阵运算的性能。

  1. 参考https://github.com/microsoft/SparTA/tree/nmsparse, 定义稀疏矩阵测试样例

  2. 构建一个合适的project目录

结果记录:

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step3 (进阶):

<ELSA: Exploiting Layer-wise N:M Sparsity for Vision Transformer Acceleration> how to choose best N:M + 《VENOM: A Vectorized N:M Format for Unleashing the Power of Sparse Tensor Cores》 kernel supports arbitray N:M

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Windows 系统修复工具主要用于解决 Windows 11/10 系统中的各种常见问题,具有操作简单、功能全面等特点: 文件资源管理器修复:可解决文件资源管理器卡死、崩溃、无响应等问题,能终止崩溃循环。还可修复右键菜单无响应或选项缺失问题,以及重建缩略图缓存,让图片、视频等文件的缩略图正常显示,此外,还能处理桌面缺少回收站图标、回收站损坏等问题。 互联网和连接修复:能够刷新 DNS 缓存,加速网页加载速度,减少访问延迟。可重置 TCP/IP 协议栈,增强网络连接稳定性,减少网络掉线情况,还能还原 Hosts 文件,清除恶意程序对网络设置的篡改,保障网络安全,解决电脑重装系统后网络无法连接、浏览器主页被篡改等问题。 系统修复:集成系统文件检查器(SFC),可自动扫描并修复受损的系统文件。能解决 Windows 激活状态异常的问题,还可重建 DLL 注册库,恢复应用程序兼容性,解决部分软件无法正常运行的问题,同时也能处理如 Windows 沙箱无法启动、Windows 将 JPG 或 JPEG 保存为 JFIF 等系统问题。 系统工具维护:提供启动管理器、服务管理器和进程管理器等工具,用户可控制和管理启动程序、系统服务和当前运行的进程,提高系统的启动和运行速度,防止不必要的程序和服务占用系统资源。还能查看系统规格,如处理器线程数、最大显示分辨率等。 故障排除:集成超过 20 个微软官方诊断工具,可对系统问题进行专业排查,还能生成硬件健康状态报告。能解决搜索和索引故障、邮件和日历应用程序崩溃、设置应用程序无法启动等问题,也可处理打印机、网络适配器、Windows 更新等相关故障。 其他修复功能:可以重置组策略设置、catroot2 文件夹、记事本等多种系统设置和组件,如重置 Windows 应用商店缓存、Windows 防火墙设置等。还能添加重建图标缓存支持,恢复粘滞便笺删除
<think>我们正在回答用户的问题:“PythonPyTorch使用CUDA进行模型训练的方法有哪些,是否只能通过Python实现”。首先,我们需要总结PyTorch使用CUDA训练的方法,然后讨论是否只能使用Python。根据引用[1]和[3],我们知道在PyTorch中使用CUDA训练时,需要注意将CUDA张量转换为CPU张量才能进行numpy操作,并且需要检查CUDA环境。同时,引用[4]提供了安装PyTorch与CUDA支持的命令。下面我们组织回答:一、PyTorch使用CUDA训练的方法:1.设备设置:将模型和数据移动到GPU上。2.分布式训练:使用DataParallel或DistributedDataParallel进行多GPU训练。3.混合精度训练:使用torch.cuda.amp进行自动混合精度训练,减少显存占用,加快训练速度。4.监控GPU使用情况:通过torch.cuda.mem_get_info等监控显存。5.避免CUDA张量与numpy的转换错误:如引用[1]所述,需要将CUDA张量先移到CPU再转numpy。二、是否只能通过Python实现?虽然PyTorch主要支持Python,但也有其他语言的接口,如C++(通过LibTorch)。然而,使用CUDA训练模型的主要和最常见方式是通过Python,因为Python有最完整的库支持。其他语言可能功能受限或不够成熟。因此,回答分为两部分:第一部分:PyTorch使用CUDA训练的方法(详细步骤)第二部分:讨论是否只能通过Python(包括替代方案)注意:引用用户提供的引用[1]到[4]来支持我们的回答。我们还需要生成相关问题。</think>### PyTorch 使用 CUDA 进行模型训练的完整指南 #### 一、PyTorch CUDA 训练核心方法 1. **设备设置与数据迁移** 将模型和张量显式移动到 GPU 设备: ```python device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") model = YourModel().to(device) # 模型迁移 inputs = inputs.to(device) # 数据迁移 labels = labels.to(device) ``` 2. **多 GPU 并行训练** 使用 `DataParallel` 或 `DistributedDataParallel`: ```python # 单机多卡方案(引用[3]) if torch.cuda.device_count() > 1: print(f"使用 {torch.cuda.device_count()} 个GPU") model = nn.DataParallel(model) ``` 3. **混合精度训练** 通过 AMP 减少显存占用并加速训练: ```python from torch.cuda.amp import autocast, GradScaler scaler = GradScaler() with autocast(): outputs = model(inputs) loss = criterion(outputs, labels) scaler.scale(loss).backward() scaler.step(optimizer) scaler.update() ``` 4. **CUDA 张量处理规范** 需遵循 CUDA 与 CPU 数据转换规则(引用[1]): ```python # 错误方式:cuda_tensor.numpy() # 正确方式: numpy_array = cuda_tensor.cpu().detach().numpy() # 添加引用[1] ``` #### 二、训练过程优化技术 | 技术 | 实现方法 | 优势 | |---------------------|--------------------------------------------------------------------------|--------------------------| | **梯度累积** | `accum_steps=4` 后执行 `optimizer.step()` | 模拟更大 batch size | | **显存优化** | 使用 `torch.cuda.empty_cache()` 及时释放缓存 | 避免 OOM(内存溢出) | | **训练监控** | `nvidia-smi` 或 `torch.cuda.memory_allocated()` | 实时监控显存使用[^3] | | **分布式训练** | `torch.distributed.launch` + `DistributedDataParallel` | 支持多机训练 | #### 三、是否只能通过 Python 实现? **Python 并非唯一选择**,但存在明显优劣对比: | 语言 | PyTorch 支持方案 | 适用场景 | 限制因素 | |------------|---------------------------------------|---------------------------|------------------------| | **Python** | 原生支持 (`import torch`) | 完整训练/调参/可视化 | 无 | | **C++** | LibTorch (PyTorch C++ API) | 高性能部署 | 缺少高级API | | **Java** | Deeplearning4j (通过 ONNX 转换模型) | 企业系统集成 | 转换性能损失 | | **JavaScript** | TensorFlow.js (模型转换) | 浏览器推理 | 无法直接训练 | > **核心结论**: > 1. **完整训练必须使用 Python**:PyTorch 的自动微分、动态计算图等核心特性仅在 Python 中完整支持 > 2. **推理部署可跨语言**:通过 ONNX/TorchScript 将训练好的模型导出到 C++/Java 等环境(引用[2]) > 3. **CUDA 加速通用性**:无论何种语言最终都依赖 CUDA 底层驱动,Python 有最完善的封装 #### 四、完整训练示例 ```python # 引用[3]环境验证 + 引用[4]安装指南 import torch # 1. 环境检测 print(f"CUDA可用: {torch.cuda.is_available()}") print(f"设备数: {torch.cuda.device_count()}") # 2. 设备配置 device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu") # 3. 模型初始化 model = YourModel() model.to(device) # 4. 训练循环 for epoch in range(epochs): for data in train_loader: inputs, labels = data[0].to(device), data[1].to(device) outputs = model(inputs) loss = criterion(outputs, labels) # 混合精度训练 with autocast(): loss.backward() optimizer.step() optimizer.zero_grad() # 5. 模型保存(引用[2]) torch.save(model.state_dict(), 'best.pt') ``` ### 相关问题 1. **如何解决 PyTorch 多 GPU 训练时的负载不均衡问题?** - 分析 `DistributedDataParallel` 与 `DataParallel` 的性能差异及优化策略 2. **ONNX 模型转换后精度下降的根本原因是什么?** - 探讨算子支持差异及量化过程中的精度损失补偿方案 3. **非 Python 环境如何实现 CUDA 内存高效管理?** - 对比 LibTorch (C++) 与 PyTorch (Python) 的显存回收机制差异 4. **混合精度训练中梯度缩放因子的自适应调整策略有哪些?** - 分析动态缩放算法与固定缩放系数的收敛特性差异 > 注:所有 CUDA 操作需遵循设备数据一致性原则,跨设备数据传输需显式调用 `.cpu()` 或 `.cuda()`(引用[1])
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