【卷积加速】深度学习卷积算法的GPU加速实现方法

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转载最新推荐文章于 2026-05-07 11:53:45 发布 2.2k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

NVIDIA CUDA 高度并行处理器编程（六）：并行模式：卷积 CUDA卷积。阅读详情

参考链接：

http://blog.youkuaiyun.com/u010620604/article/details/52464529

http://blog.youkuaiyun.com/guoyilin/article/details/44222087

这篇论文主要讨论如何针对CNN做一些GPU矩阵计算的优化。传统CNN计算主要开销是在convolutions, activation function, pooling.

首先，我们看convolution的操作过程:

参数表：

O是输出input feature map，F是filter, D0是input feature map. 从公式看到如果用循环操作，需要7次循环，n,k,p,q4次可独立循环，c,r,s是累加操作的循环。

其次，我们看convolution在GPU上如何实现，文中介绍了三种方法：

第一，最直观的方法是直接实现如上公式，但是这种实现呢需要处理许多的corner case。文中介绍cuda-convnet2是实现了该种方法，该种方法在不同取值的卷积参数空间效率不一，比如batch size > 128，效率很高，但是如果batch size < 64, 效率比较低。

第二，采用快速傅里叶变换fft，具体怎么做，参见论文Fast training of convolutional networks through ffts（待读）. 该种方法效率非常高，但是由于filter需要扩大到和input一样大小，占用了大量内存，特别是CNN的前几层filter 大小远小于input大小。第二，当striding 参数>1, fft效率也不高。facebook最近开源了fbfft的实现，参见论文fast convolutional nets with fbfft: a gpu performance evaluation（待读）.

第三，也就是现在caffe实现的方法。将卷积操作转换为密集矩阵相乘。将input data组装成大小为CRS x NPQ的矩阵，这使得内存相对原始input data的大小扩大了之多RS倍，举个例子，对AlexNet的conv1:

Fm: 96 x 363

Dm: 363 x 387200(设double 类型，需要临时分配内存1GB)

D: 128 x 3 x 227 x 227 = 19787136.

Dm 是D的内存大小的7倍。

具体卷积是如何转换为矩阵的呢？看如下图：

对照caffe的代码就是im2col_gpu, caffe_gpu_gemm, caffe_gpu_gemm 会调用cublasSgemm.

这种方法使用扩大临时内存方法换取密集矩阵计算的便利。

密集矩阵相乘为什么好呢，值得我们如此牺牲内存代价？因为 it has a high ratio of floating-point operations per byte of data transferred. 当矩阵越大，ratio越高，我们看到该方法的矩阵大小还是可以的，CRS乘机相对比较大。该方法的缺陷是： Dm太大，因此需要分片materiialize Dm，我们看caffe代码实现，在每次batch，遍历了N次的im2col_gpu, caffe_gpu_gem。但是这种循环方法使得要多次读写Dm和读取D, 相对第一种方案需要更多memory traffic. 因此，本文采用了另一种实现：

对A x B = C, 分块加载A和B从off-chip memory to on-chip caches, 同时计算C的一部分。这样减少了数据传输带来的延迟。对于Dm，我们是在on-chip上转换成Dm，而不是在off-chip上转换.

三种方法性能的比较：

上述方法还有些没解释清楚，下面进一步补充：

一直用cuDNN所以很好奇其实现，于是花了点时间看了一下cuDNN:Efficient Primitives for Deep Learning，还是很容易懂的。
1. caffe的卷积
首先，caffe的卷积操作是将卷积转化为矩阵乘法，然后就可以用已有的GPU矩阵乘法的优化算法进行计算。具体可以参见这篇博文。
这个方法由于需要将输入D和卷积核F进行转化，将D从四维数组转化为二维矩阵时数据规模变大，因而会占用过多显存。而且卷积核越大，stride越小，显存耗费越高。
2. FFT 计算卷积
还有一种使用FFT计算卷积。此时需要将卷积核扩大成和feature map一样的长宽尺寸，这在二者相差较大的时候也是很浪费的。另外，当stride大于1时，数据比较稀疏，采用FFT效果也并不理想。
3. NVIDIA的矩阵乘法
NVIDIA对矩阵乘法支持每次单独计算子矩阵。一边计算子矩阵的结果，一边准备下一组数据，最后合并得到结果。有点流水线的意思。
4. cuDNN convolution
论文采用的是将卷积转化为矩阵乘法的方法，利用NVIDIA的矩阵乘法的特点，做了一些改进。具体来说就是，计算F（卷积核）对D（输入的feature map）的卷积，并不是将D转化后的二维矩阵直接存到显存里面，而是lazily materialing的方式。就是说，当需要用到这部分数据的时候，直接到D中索引对应的数据，并加载到显存里面进行计算，这样就避免了占用额外显存这一弊端。因此该方法还需要一个快速从D中索引数据的算法。

本部分介绍Caffe中卷积的实现。