AI应用—CUDA在AI中的应用

一、CUDA的简单介绍

正在写CUDA相关的知识，那里会有更详细的说明，但为了在AI方向上有一个切入点，这里还得简单的介绍一下背景。其实从某种角度上来说，AI的底层建筑就是CUDA，这么说太片面了，但却无法回避，当然这里说的CUDA不单是这个框架，还包括NVIDIA公司的显卡。
现在不管某个大模型或者AI算法多么厉害，其底层极大概率使用英伟达公司的显卡（N卡），而显卡中，最主流的当仁不让的就是NVIDIA的显卡。可能有人会说，不还有AMD和Intel的显卡么。这个懂的都懂，不懂的咱们也不争辩，只要自己觉得好就行。大家只要有心看看英伟达的股票就知道了。
NVIDIA由于起步早，有完善的开发框架和相关工具，并且在细节上处理比其它显卡公司做的要好很多。最关键的是，它似乎已经有一个类似于成熟生态的东西，这个非常可怕。
那么CUDA是什么？CUDA就是一个并行计算的平台框架，是一个针对N卡能最大发挥性能的编程框架。这里不采用什么官方的说明或其它权威的说明，虽然可能不严格不谨慎，但却非常容易明白。可以这么理解，AI中的什么大模型、深度学习之类的是上层的设计，显卡是底层的主要实现者（当然还有CPU和其它的协助硬件），CUDA是将它们有机的整合起来，达到最完美的情况。

二、CUDA的应用场景

说CUDA就得先说显卡，显卡与CPU相比，其实最擅长的就是并行计算，所以CUDA做为在上面生长出来的开发框架，当然也是并行计算的框架。那么大家只要简单思考一下就明白，CUDA应用的主要场景包括：
1、科学计算
虽然大家可能接触不多，但听得多啊，常见的如进行气象预报的处理、信号处理、核爆炸的模拟、风洞的模拟以及各种数值分析等
2、图像与视频处理
这本来就是显卡的主战场，对于实时渲染（游戏等）、电影特效和动画、视频编解码、图像分析等
3、金融领域
典型的应用就是高频交易以及风险评估
4、密集计算领域
这个大家可能就接触的比较多了，诸如大数据分析、数据库挖掘及加速以及密码学等
5、人工智能和深度学习
这个最容易理解，象卷积、矩阵等的运算，以及神经网络的训练和各种模型的训练；模型的推理等等。
通过上面的应用场景可以看出来，CUDA的应用特点，基本就是大规模的并行计算（核爆炸及宇宙演变等的模拟）、大数据吞吐以及极高性能的需求这些。而这些特点恰恰满足了AI的目前阶段的广泛需求。

三、CUDA与AI

要想明白AI与CUDA的关系，就得先知道目前AI的理论基础。目前AI理论的基础，无论多少所谓的科学家说各种令人眼花缭乱的算法和模型，其本质，仍然没脱离现代统计学的范畴。所以，其AI模型优秀的前提，就是要有海量的数据进行训练。
而刚刚分析过CUDA的应用场景，其中这几个点恰恰都满足了AI的需求，而其它的技术，虽然可能有各种独到的优势，但整体上根本无法动摇CUDA的优势，所以AI和CUDA结合在一起，形成一个主流的应用场景，是一种必然。
1、CUDA对AI的支持
1）CUDA为AI提供强大的算力支持
GPU为基础的CUDA，其并行计算框架可以为AI提供海量的线程，为AI的各种计算（卷积、矩阵等）提供并行运算和优化，CUDA提供了强大的加速库（ cuDNN）和工具库；
2）CUDA为AI提供模型训练和推理支持
目前的AI项目广泛的依赖于CUDA生态和相关的并行计算，在推理阶段则通过CUDA进行优化，将相关的延迟降低数倍；同时，CUDA还为一些跨领域的AI应用提供了强大的技术支持，如音视频的处理等
3）CUDA提供了强大的生态
这才是一种非常可怕的情况，事实证明，技术的先进性未必能解决掉实际应用的问题，而生态则可以。

2、CUDA开发
CUDA早期是支持C语言的，后来（3.0）后，也支持C++开发了。但大家都知道，真正进行AI研究的，往往都是广大的研究人员，它们对Python这种容易学，且各种库支持多的语言更感兴趣，所以现在的CUDA（12.1）原生支持了Python。这意味着什么，大家应该非常清楚。
3、CUDA支持AI的安装
安装相关环境在“并行计算的CUDA”中已经有了完整的方法，不过要支持AI一般还要安装cudnn，这是一个针对深度卷积神经网络的加速库。回头会在后续的相关文章中对Linux下安装CUDA和相关CUDNN的安装进行说明。另外，还可以安装cuBLAS/cuFFT等加速库和CV-CUDA视觉处理库等。
4、CUDA与AI的发展
英伟达公司在CUDA上不断推进，完善和升级各种开发工具、提高对各种平台的支持。不断的优化各种性能、降低能耗并引入更先进的技术，从而保证CUDA的先进性。二者一个互相促进，互相发展的关系。至少短期内，很难看到能颠覆CUDA生态的可能。

四、总结

CUDA作为海量数据、高性能和高并行计算的框架，似乎天生就和AI有着必然的联系。在AI基础理论目前没有根本突破前，堆积算力是一个不得不采用的方式。由此可以看出，英伟达公司的股票为什么反复创出新高的原因了。算力就是实力，实力能解决一切。到这，是不是大家明白了为什么漂亮国到处举个大棒限制其它国家了吧？至少在现阶段，必然是如此！