Python實(shí)現(xiàn)GPU加速的基本操作

CUDA的線程與塊

GPU從計(jì)算邏輯來講，可以認(rèn)為是一個(gè)高并行度的計(jì)算陣列，我們可以想象成一個(gè)二維的像圍棋棋盤一樣的網(wǎng)格，每一個(gè)格子都可以執(zhí)行一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)，并且所有的格子可以同時(shí)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，這就是GPU加速的來源。那么剛才所提到的棋盤，每一列都認(rèn)為是一個(gè)線程，并有自己的線程編號(hào)；每一行都是一個(gè)塊，有自己的塊編號(hào)。我們可以通過一些簡(jiǎn)單的程序來理解這其中的邏輯：

用GPU打印線程編號(hào)

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda

@cuda.jit
def gpu():
    print ('threadIdx:', cuda.threadIdx.x)

if __name__ == '__main__':
    gpu[2,4]()

threadIdx: 0
threadIdx: 1
threadIdx: 2
threadIdx: 3
threadIdx: 0
threadIdx: 1
threadIdx: 2
threadIdx: 3

用GPU打印塊編號(hào)

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda

@cuda.jit
def gpu():
    print ('blockIdx:', cuda.blockIdx.x)

if __name__ == '__main__':
    gpu[2,4]()

blockIdx: 0
blockIdx: 0
blockIdx: 0
blockIdx: 0
blockIdx: 1
blockIdx: 1
blockIdx: 1
blockIdx: 1

用GPU打印塊的維度

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda

@cuda.jit
def gpu():
    print ('blockDim:', cuda.blockDim.x)

if __name__ == '__main__':
    gpu[2,4]()

blockDim: 4
blockDim: 4
blockDim: 4
blockDim: 4
blockDim: 4
blockDim: 4
blockDim: 4
blockDim: 4

用GPU打印線程的維度

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda

@cuda.jit
def gpu():
    print ('gridDim:', cuda.gridDim.x)

if __name__ == '__main__':
    gpu[2,4]()

gridDim: 2
gridDim: 2
gridDim: 2
gridDim: 2
gridDim: 2
gridDim: 2
gridDim: 2
gridDim: 2

總結(jié)

我們可以用如下的一張圖來總結(jié)剛才提到的GPU網(wǎng)格的概念，在上面的測(cè)試案例中，我們?cè)贕PU上劃分一塊2*4大小的陣列用于我們自己的計(jì)算，每一行都是一個(gè)塊，每一列都是一個(gè)線程，所有的網(wǎng)格是同時(shí)執(zhí)行計(jì)算的內(nèi)容的（如果沒有邏輯上的依賴的話）。

GPU所支持的最大并行度

我們可以用幾個(gè)簡(jiǎn)單的程序來測(cè)試一下GPU的并行度，因?yàn)槊恳粋€(gè)GPU上的網(wǎng)格都可以獨(dú)立的執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，因此我們認(rèn)為可以分配多少個(gè)網(wǎng)格，就有多大的并行度。本機(jī)的最大并行應(yīng)該是在\(2^40\)，因此假設(shè)我們給GPU分配\(2^50\)大小的網(wǎng)格，程序就會(huì)報(bào)錯(cuò)：

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda

@cuda.jit
def gpu():
    pass

if __name__ == '__main__':
    gpu[2**50,1]()
    print ('Running Success!')

運(yùn)行結(jié)果如下：

Traceback (most recent call last):
File "numba_cuda_test.py", line 10, in module>
gpu[2**50,1]()
File "/home/dechin/.local/lib/python3.7/site-packages/numba/cuda/compiler.py", line 822, in __call__
self.stream, self.sharedmem)
File "/home/dechin/.local/lib/python3.7/site-packages/numba/cuda/compiler.py", line 966, in call
kernel.launch(args, griddim, blockdim, stream, sharedmem)
File "/home/dechin/.local/lib/python3.7/site-packages/numba/cuda/compiler.py", line 699, in launch
cooperative=self.cooperative)
File "/home/dechin/.local/lib/python3.7/site-packages/numba/cuda/cudadrv/driver.py", line 2100, in launch_kernel
None)
File "/home/dechin/.local/lib/python3.7/site-packages/numba/cuda/cudadrv/driver.py", line 300, in safe_cuda_api_call
self._check_error(fname, retcode)
File "/home/dechin/.local/lib/python3.7/site-packages/numba/cuda/cudadrv/driver.py", line 335, in _check_error
raise CudaAPIError(retcode, msg)
numba.cuda.cudadrv.driver.CudaAPIError: [1] Call to cuLaunchKernel results in CUDA_ERROR_INVALID_VALUE

而如果我們分配一個(gè)額定大小之內(nèi)的網(wǎng)格，程序就可以正常的運(yùn)行：

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda

@cuda.jit
def gpu():
    pass

if __name__ == '__main__':
    gpu[2**30,1]()
    print ('Running Success!')

這里加了一個(gè)打印輸出：

Running Success!

需要注意的是，兩個(gè)維度上的可分配大小是不一致的，比如本機(jī)的上限是分配230*210大小的空間用于計(jì)算：

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda

@cuda.jit
def gpu():
    pass

if __name__ == '__main__':
    gpu[2**30,2**10]()
    print ('Running Success!')

同樣的，只要在允許的范圍內(nèi)都是可以執(zhí)行成功的：

Running Success!

如果在本機(jī)上有多塊GPU的話，還可以通過select_device的指令來選擇執(zhí)行指令的GPU編號(hào)：

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda
cuda.select_device(1)
import time

@cuda.jit
def gpu():
    pass

if __name__ == '__main__':
    gpu[2**30,2**10]()
    print ('Running Success!')

如果兩塊GPU的可分配空間一致的話，就可以運(yùn)行成功：

Running Success!

GPU的加速效果

前面我們經(jīng)常提到一個(gè)詞叫GPU加速，GPU之所以能夠?qū)崿F(xiàn)加速的效果，正源自于GPU本身的高度并行性。這里我們直接用一個(gè)數(shù)組求和的案例來說明GPU的加速效果，這個(gè)案例需要得到的結(jié)果是\(b_j=a_j+b_j\)，將求和后的值賦值在其中的一個(gè)輸入數(shù)組之上，以節(jié)省一些內(nèi)存空間。當(dāng)然，如果這個(gè)數(shù)組還有其他的用途的話，是不能這樣操作的。具體代碼如下：

# gpu_add.py

from numba import cuda
cuda.select_device(1)
import numpy as np
import time

@cuda.jit
def gpu(a,b,DATA_LENGHTH):
    idx = cuda.threadIdx.x + cuda.blockIdx.x * cuda.blockDim.x
    if idx  DATA_LENGHTH:
        b[idx] += a[idx]

if __name__ == '__main__':
    np.random.seed(1)
    DATA_EXP_LENGTH = 20
    DATA_DIMENSION = 2**DATA_EXP_LENGTH
    np_time = 0.0
    nb_time = 0.0
    for i in range(100):
        a = np.random.randn(DATA_DIMENSION).astype(np.float32)
        b = np.random.randn(DATA_DIMENSION).astype(np.float32)
        a_cuda = cuda.to_device(a)
        b_cuda = cuda.to_device(b)
        time0 = time.time()
        gpu[DATA_DIMENSION,4](a_cuda,b_cuda,DATA_DIMENSION)
        time1 = time.time()
        c = b_cuda.copy_to_host()
        time2 = time.time()
        d = np.add(a,b)
        time3 = time.time()
        if i == 0:
            print ('The error between numba and numpy is: ', sum(c-d))
            continue
        np_time += time3 - time2
        nb_time += time1 - time0
    print ('The time cost of numba is: {}s'.format(nb_time))
    print ('The time cost of numpy is: {}s'.format(np_time))

需要注意的是，基于Numba實(shí)現(xiàn)的Python的GPU加速程序，采用的jit即時(shí)編譯的模式，也就是說，在運(yùn)行調(diào)用到相關(guān)函數(shù)時(shí)，才會(huì)對(duì)其進(jìn)行編譯優(yōu)化。換句話說，第一次執(zhí)行這一條指令的時(shí)候，事實(shí)上達(dá)不到加速的效果，因?yàn)檫@個(gè)運(yùn)行的時(shí)間包含了較長(zhǎng)的一段編譯時(shí)間。但是從第二次運(yùn)行調(diào)用開始，就不需要重新編譯，這時(shí)候GPU加速的效果就體現(xiàn)出來了，運(yùn)行結(jié)果如下：

$ python3 gpu_add.py The error between numba and numpy is: 0.0
The time cost of numba is: 0.018711328506469727s
The time cost of numpy is: 0.09502553939819336s

可以看到，即使是相比于Python中優(yōu)化程度十分強(qiáng)大的的Numpy實(shí)現(xiàn)，我們自己寫的GPU加速的程序也能夠達(dá)到5倍的加速效果（在前面一篇博客中，針對(duì)于特殊計(jì)算場(chǎng)景，加速效果可達(dá)1000倍以上），而且可定制化程度非常之高。

總結(jié)概要

本文針對(duì)于Python中使用Numba的GPU加速程序的一些基本概念和實(shí)現(xiàn)的方法，比如GPU中的線程和模塊的概念，以及給出了一個(gè)矢量加法的代碼案例，進(jìn)一步說明了GPU加速的效果。需要注意的是，由于Python中的Numba實(shí)現(xiàn)是一種即時(shí)編譯的技術(shù)，因此第一次運(yùn)算時(shí)的時(shí)間會(huì)明顯較長(zhǎng)，所以我們一般說GPU加速是指從第二步開始的運(yùn)行時(shí)間。對(duì)于一些工業(yè)和學(xué)界常見的場(chǎng)景，比如分子動(dòng)力學(xué)模擬中的系統(tǒng)演化，或者是深度學(xué)習(xí)與量子計(jì)算中的參數(shù)優(yōu)化，都是相同維度參數(shù)多步運(yùn)算的一個(gè)過程，非常適合使用即時(shí)編譯的技術(shù)，配合以GPU高度并行化的加速效果，能夠在實(shí)際工業(yè)和學(xué)術(shù)界的各種場(chǎng)景下發(fā)揮巨大的作用。

到此這篇關(guān)于Python實(shí)現(xiàn)GPU加速的基本操作的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python GPU加速內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！