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GPU加速02:超详细Python Cuda零基础入门教程,没有显卡也能学!

人民大学校级计算平台老师 微信公号 ilulaoshi

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Python是当前最流行的编程语言,被广泛应用在深度学习、金融建模、科学和工程计算上。作为一门解释型语言,它运行速度慢也常常被用户诟病。著名Python发行商Anaconda公司开发的Numba库为程序员提供了Python版CPU和GPU编程工具,速度比原生Python快数十倍甚至更多。使用Numba进行GPU编程,你可以享受:

  1. Python简单易用的语法;
  2. 极快的开发速度;
  3. 成倍的硬件加速。

为了既保证Python语言的易用性和开发速度,又达到并行加速的目的,本系列主要从Python的角度给大家分享GPU编程方法。关于Numba的入门可以参考我的另一篇文章更加令人兴奋的是,Numba提供了一个GPU模拟器,即使你手头暂时没有GPU机器,也可以先使用这个模拟器来学习GPU编程!

本系列为英伟达GPU入门介绍的第二篇,主要介绍CUDA编程的基本流程和核心概念,并使用Python Numba编写GPU并行程序。为了更好地理解GPU的硬件架构,建议读者先阅读我的第一篇文章。

  1. GPU硬件知识和基础概念:包括CPU与GPU的区别、GPU架构、CUDA软件栈简介。
  2. GPU编程入门:主要介绍CUDA核函数,Thread、Block和Grid概念,并使用Python Numba进行简单的并行计算。
  3. GPU编程进阶:主要介绍一些优化方法。
  4. GPU编程实践:使用Python Numba解决复杂问题。

初识GPU编程

兵马未动,粮草先行。在开始GPU编程前,需要明确一些概念,并准备好相关工具。

CUDA是英伟达提供给开发者的一个GPU编程框架,程序员可以使用这个框架轻松地编写并行程序。本系列第一篇文章提到,CPU和主存被称为主机(Host),GPU和显存(显卡内存)被称为设备(Device),CPU无法直接读取显存数据,GPU无法直接读取主存数据,主机与设备必须通过总线(Bus)相互通信。

GPU和CPU架构

在进行GPU编程前,需要先确认是否安装了CUDA工具箱,可以使用echo $CUDA_HOME检查CUDA环境变量,返回值不为空说明已经安装好CUDA。也可以直接用Anaconda里的conda命令安装CUDA:

$ conda install cudatoolkit

然后可以使用nvidia-smi命令查看显卡情况,比如这台机器上几张显卡,CUDA版本,显卡上运行的进程等。我这里是一台32GB显存版的Telsa V100机器。

nvidia-smi命令返回结果

安装Numba库:

$ conda install numba

检查一下CUDA和Numba是否安装成功:

from numba import cuda
print(cuda.gpus)

如果上述步骤没有问题,可以得到结果:<Managed Device 0>...。如果机器上没有GPU或没安装好上述包,会有报错。CUDA程序执行时会独霸一张卡,如果你的机器上有多张GPU卡,CUDA默认会选用0号卡。如果你与其他人共用这台机器,最好协商好谁在用哪张卡。一般使用CUDA_VISIBLE_DEVICES这个环境变量来选择某张卡。如选择5号GPU卡运行你的程序。

CUDA_VISIBLE_DEVICES='5' python example.py

如果手头暂时没有GPU设备,Numba提供了一个模拟器,供用户学习和调试,只需要在命令行里添加一个环境变量。

Mac/Linux:

export NUMBA_ENABLE_CUDASIM=1

Windows:

SET NUMBA_ENABLE_CUDASIM=1

需要注意的是,模拟器只是一个调试的工具,在模拟器中使用Numba并不能加速程序,有可能速度更慢,而且在模拟器能够运行的程序,并不能保证一定能在真正的GPU上运行,最终还是要以GPU为准。

有了以上的准备工作,我们就可以开始我们的GPU编程之旅了!

GPU程序与CPU程序的区别

一个传统的CPU程序的执行顺序如下图所示:

CPU程序执行流程

CPU程序是顺序执行的,一般需要:

  1. 初始化。
  2. CPU计算。
  3. 得到计算结果。

在CUDA编程中,CPU和主存被称为主机(Host),GPU被称为设备(Device)。

GPU程序执行流程

当引入GPU后,计算流程变为:

  1. 初始化,并将必要的数据拷贝到GPU设备的显存上。
  2. CPU调用GPU函数,启动GPU多个核心同时进行计算。
  3. CPU与GPU异步计算。
  4. 将GPU计算结果拷贝回主机端,得到计算结果。

一个名为gpu_print.py的GPU程序如下所示:

from numba import cuda

def cpu_print():
    print("print by cpu.")

@cuda.jit
def gpu_print():
    # GPU核函数
    print("print by gpu.")

def main():
    gpu_print[1, 2]()
    cuda.synchronize()
    cpu_print()

if __name__ == "__main__":
    main()

使用CUDA_VISIBLE_DEVICES='0' python gpu_print.py执行这段代码,得到的结果为:

print by gpu.
print by gpu.
print by cpu.

与传统的Python CPU代码不同的是:

  • 使用from numba import cuda引入cuda
  • 在GPU函数上添加@cuda.jit装饰符,表示该函数是一个在GPU设备上运行的函数,GPU函数又被称为核函数
  • 主函数调用GPU核函数时,需要添加如[1, 2]这样的执行配置,这个配置是在告知GPU以多大的并行粒度同时进行计算。gpu_print[1, 2]()表示同时开启2个线程并行地执行gpu_print函数,函数将被并行地执行2次。下文会深入探讨如何设置执行配置。
  • GPU核函数的启动方式是异步的:启动GPU函数后,CPU不会等待GPU函数执行完毕才执行下一行代码。必要时,需要调用cuda.synchronize(),告知CPU等待GPU执行完核函数后,再进行CPU端后续计算。这个过程被称为同步,也就是GPU执行流程图中的红线部分。如果不调用cuda.synchronize()函数,执行结果也将改变,"print by cpu.将先被打印。虽然GPU函数在前,但是程序并没有等待GPU函数执行完,而是继续执行后面的cpu_print函数,由于CPU调用GPU有一定的延迟,反而后面的cpu_print先被执行,因此cpu_print的结果先被打印了出来。

Thread层次结构

前面的程序中,核函数被GPU并行地执行了2次。在进行GPU并行编程时需要定义执行配置来告知以怎样的方式去并行计算,比如上面打印的例子中,是并行地执行2次,还是8次,还是并行地执行20万次,或者2000万次。2000万的数字太大,远远多于GPU的核心数,如何将2000万次计算合理分配到所有GPU核心上。解决这些问题就需要弄明白CUDA的Thread层次结构。

并行执行8次的执行配置

CUDA将核函数所定义的运算称为线程(Thread),多个线程组成一个块(Block),多个块组成网格(Grid)。这样一个grid可以定义成千上万个线程,也就解决了并行执行上万次操作的问题。例如,把前面的程序改为并行执行8次:可以用2个block,每个block中有4个thread。原来的代码可以改为gpu_print[2, 4](),其中方括号中第一个数字表示整个grid有多少个block,方括号中第二个数字表示一个block有多少个thread。

实际上,线程(thread)是一个编程上的软件概念。从硬件来看,thread运行在一个CUDA核心上,多个thread组成的block运行在Streaming Multiprocessor(SM的概念详见本系列第一篇文章),多个block组成的grid运行在一个GPU显卡上。

软硬件对应关系

CUDA提供了一系列内置变量,以记录thread和block的大小及索引下标。以[2, 4]这样的配置为例:blockDim.x变量表示block的大小是4,即每个block有4个thread,threadIdx.x变量是一个从0到blockDim.x - 1(4-1=3)的索引下标,记录这是第几个thread;gridDim.x变量表示grid的大小是2,即每个grid有2个block,blockIdx.x变量是一个从0到gridDim.x - 1(2-1=1)的索引下标,记录这是第几个block。

CUDA内置变量示意图

某个thread在整个grid中的位置编号为:threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x

使用内置变量计算某个thread编号

利用上述变量,我们可以把之前的代码丰富一下:

from numba import cuda

def cpu_print(N):
    for i in range(0, N):
        print(i)

@cuda.jit
def gpu_print(N):
    idx = cuda.threadIdx.x + cuda.blockIdx.x * cuda.blockDim.x 
    if (idx < N):
        print(idx)

def main():
    print("gpu print:")
    gpu_print[2, 4](8)
    cuda.synchronize()
    print("cpu print:")
    cpu_print(8)

if __name__ == "__main__":
    main()

执行结果为:

gpu print:
0
1
2
3
4
5
6
7
cpu print:
0
1
2
3
4
5
6
7

这里的GPU函数在每个CUDA thread中打印了当前thread的编号,起到了CPU函数for循环同样的作用。因为for循环中的计算内容互相不依赖,也就是说,某次循环只是专心做自己的事情,循环第i次不影响循环第j次的计算,所以这样互相不依赖的for循环非常适合放到CUDA thread里做并行计算。在实际使用中,我们一般将CPU代码中互相不依赖的的for循环适当替换成CUDA代码。

这份代码打印了8个数字,核函数有一个参数NN = 8,假如我们只想打印5个数字呢?当前的执行配置共2 * 4 = 8个线程,线程数8与要执行的次数5不匹配,不过我们已经在代码里写好了if (idx < N)的判断语句,判断会帮我们过滤不需要的计算。我们只需要把N = 5传递给gpu_print函数中就好,CUDA仍然会启动8个thread,但是大于等于N的thread不进行计算。注意,当线程数与计算次数不一致时,一定要使用这样的判断语句,以保证某个线程的计算不会影响其他线程的数据。

线程数与计算次数不匹配

Block大小设置

不同的执行配置会影响GPU程序的速度,一般需要多次调试才能找到较好的执行配置,在实际编程中,执行配置[gridDim, blockDim]应参考下面的方法:

  • block运行在SM上,不同硬件架构(Turing、Volta、Pascal...)的CUDA核心数不同,一般需要根据当前硬件来设置block的大小blockDim(执行配置中第二个参数)。一个block中的thread数最好是32、128、256的倍数。==注意,限于当前硬件的设计,block大小不能超过1024。==
  • grid的大小gridDim(执行配置中第一个参数),即一个grid中block的个数可以由总次数N除以blockDim,并向上取整。

例如,我们想并行启动1000个thread,可以将blockDim设置为128,1000 ÷ 128 = 7.8,向上取整为8。使用时,执行配置可以写成gpuWork[8, 128](),CUDA共启动8 * 128 = 1024个thread,实际计算时只使用前1000个thread,多余的24个thread不进行计算。

注意,这几个变量比较容易混淆,再次明确一下:blockDim是block中thread的个数,一个block中的threadIdx最大不超过blockDimgridDim是grid中block的个数,一个grid中的blockIdx最大不超过gridDim

以上讨论中,block和grid大小均是一维,实际编程使用的执行配置常常更复杂,block和grid的大小可以设置为二维甚至三维,如下图所示。这部分内容将在下篇文章中讨论。

Thread Block Grid

内存分配

前文提到,GPU计算时直接从显存中读取数据,因此每当计算时要将数据从主存拷贝到显存上,用CUDA的术语来说就是要把数据从主机端拷贝到设备端。CUDA强大之处在于它能自动将数据从主机和设备间相互拷贝,不需要程序员在代码中写明。这种方法对编程者来说非常方便,不必对原有的CPU代码做大量改动。

我们以一个向量加法为例,编写一个向量加法的核函数如下:

@cuda.jit
def gpu_add(a, b, result, n):
    # a, b为输入向量,result为输出向量
    # 所有向量都是n维
    # 得到当前thread的索引
    idx = cuda.threadIdx.x + cuda.blockDim.x * cuda.blockIdx.x
    if idx < n:
        result[idx] = a[idx] + b[idx]

初始化两个2千万维的向量,作为参数传递给核函数:

n = 20000000
x = np.arange(n).astype(np.int32)
y = 2 * x
gpu_result = np.zeros(n)

# CUDA执行配置
threads_per_block = 1024
blocks_per_grid = math.ceil(n / threads_per_block)

gpu_add[blocks_per_grid, threads_per_block](x, y, gpu_result, n)

把上述代码整合起来,与CPU代码做对比,并验证结果正确性:

from numba import cuda
import numpy as np
import math
from time import time

@cuda.jit
def gpu_add(a, b, result, n):
    idx = cuda.threadIdx.x + cuda.blockDim.x * cuda.blockIdx.x
    if idx < n:
        result[idx] = a[idx] + b[idx]

def main():
    n = 20000000
    x = np.arange(n).astype(np.int32)
    y = 2 * x

    gpu_result = np.zeros(n)
    cpu_result = np.zeros(n)

    threads_per_block = 1024
    blocks_per_grid = math.ceil(n / threads_per_block)
    start = time()
    gpu_add[blocks_per_grid, threads_per_block](x, y, gpu_result, n)
    cuda.synchronize()
    print("gpu vector add time " + str(time() - start))
    start = time()
    cpu_result = np.add(x, y)
    print("cpu vector add time " + str(time() - start))

    if (np.array_equal(cpu_result, gpu_result)):
        print("result correct")

if __name__ == "__main__":
    main()

运行结果,GPU代码竟然比CPU代码慢10+倍!

gpu vector add time 13.589356184005737
cpu vector add time 1.2823548316955566
result correct

说好的GPU比CPU快几十倍上百倍呢?这里GPU比CPU慢很多原因主要在于:

  1. 向量加法的这个计算比较简单,CPU的numpy已经优化到了极致,无法突出GPU的优势,我们要解决实际问题往往比这个复杂得多,当解决复杂问题时,优化后的GPU代码将远快于CPU代码。
  2. 这份代码使用CUDA默认的统一内存管理机制,没有对数据的拷贝做优化。CUDA的统一内存系统是当GPU运行到某块数据发现不在设备端时,再去主机端中将数据拷贝过来,当执行完核函数后,又将所有的内存拷贝回主存。在上面的代码中,输入的两个向量是只读的,没必要再拷贝回主存。
  3. 这份代码没有做流水线优化。CUDA并非同时计算2千万个数据,一般分批流水线工作:一边对2000万中的某批数据进行计算,一边将下一批数据从主存拷贝过来。计算占用的是CUDA核心,数据拷贝占用的是总线,所需资源不同,互相不存在竞争关系。这种机制被称为流水线。这部分内容将在下篇文章中讨论。

原因2中本该程序员动脑思考的问题交给了CUDA解决,增加了时间开销,所以CUDA非常方便的统一内存模型缺点是计算速度慢。针对原因2,我们可以继续优化这个程序,告知GPU哪些数据需要拷贝到设备,哪些需要拷贝回主机。

from numba import cuda
import numpy as np
import math
from time import time

@cuda.jit
def gpu_add(a, b, result, n):
    idx = cuda.threadIdx.x + cuda.blockDim.x * cuda.blockIdx.x
    if idx < n :
        result[idx] = a[idx] + b[idx]

def main():
    n = 20000000
    x = np.arange(n).astype(np.int32)
    y = 2 * x

    # 拷贝数据到设备端
    x_device = cuda.to_device(x)
    y_device = cuda.to_device(y)
    # 在显卡设备上初始化一块用于存放GPU计算结果的空间
    gpu_result = cuda.device_array(n)
    cpu_result = np.empty(n)

    threads_per_block = 1024
    blocks_per_grid = math.ceil(n / threads_per_block)
    start = time()
    gpu_add[blocks_per_grid, threads_per_block](x_device, y_device, gpu_result, n)
    cuda.synchronize()
    print("gpu vector add time " + str(time() - start))
    start = time()
    cpu_result = np.add(x, y)
    print("cpu vector add time " + str(time() - start))

    if (np.array_equal(cpu_result, gpu_result.copy_to_host())):
        print("result correct!")

if __name__ == "__main__":
    main()

这段代码的运行结果为:

gpu vector add time 0.19940638542175293
cpu vector add time 1.132070541381836
result correct!

至此,可以看到GPU速度终于比CPU快了很多。

Numba对Numpy的比较友好,编程中一定要使用Numpy的数据类型。用到的比较多的内存分配函数有:

  • cuda.device_array(): 在设备上分配一个空向量,类似于numpy.empty()
  • cuda.to_device():将主机的数据拷贝到设备
ary = np.arange(10)
device_ary = cuda.to_device(ary)
  • cuda.copy_to_host():将设备的数据拷贝回主机
host_ary = device_ary.copy_to_host()

总结

Python Numba库可以调用CUDA进行GPU编程,CPU端被称为主机,GPU端被称为设备,运行在GPU上的函数被称为核函数,调用核函数时需要有执行配置,以告知CUDA以多大的并行粒度来计算。使用GPU编程时要合理地将数据在主机和设备间互相拷贝。

GPU程序执行流程

CUDA编程的基本流程为:

  1. 初始化,并将必要的数据拷贝到GPU设备的显存上。
  2. 使用某个执行配置,以一定的并行粒度调用CUDA核函数。
  3. CPU和GPU异步计算。
  4. 将GPU计算结果拷贝回主机。
Measure
Measure
Summary | 13 Annotations
在GPU设备上运行的函数
2021/03/04 16:41
GPU函数又被称为核函数
2021/03/04 16:41
CPU不会等待GPU函数执行完毕才执行下一行代码。必要时,需要调用cuda.synchronize(),告知CPU等待GPU执行完核函数后,再进行CPU端后续计算。这个过程被称为同步
2021/03/04 16:41
核函数所定义的运算称为线程(Thread)
2021/03/04 16:42
thread运行在一个CUDA核心上,多个thread组成的block运行在Streaming Multiprocessor
2021/03/04 16:45
所以这样互相不依赖的for循环非常适合放到CUDA thread里做并行计算
2021/03/04 16:50
一般将CPU代码中互相不依赖的的for循环适当替换成CUDA代码。
2021/03/04 16:50
当线程数与计算次数不一致时,一定要使用这样的判断语句,以保证某个线程的计算不会影响其他线程的数据。
2021/03/04 16:52
block运行在SM上,不同硬件架构(Turing、Volta、Pascal...)的CUDA核心数不同,一般需要根据当前硬件来设置block的大小blockDim(执行配置中第二个参数)
2021/03/04 16:52
于当前硬件的设计,block大小不能超过1024
2021/03/04 16:52
grid中block的个数可以由总次数N除以blockDim,并向上取整
2021/03/04 16:53
用CUDA默认的统一内存管理机制
2021/03/04 16:55
运行到某块数据发现不在设备端时,再去主机端中将数据拷贝过来,当执行完核函数后,又将所有的内存拷贝回主存。
2021/03/04 16:55