Python3+pycuda实现执行简单GPU计算任务

技术背景

GPU的加速技术在深度学习、量子计算领域都已经被广泛的应用。其适用的计算模型是小内存的密集型计算场景，如果计算的模型内存较大，则需要使用到共享内存，这会直接导致巨大的数据交互的运算量，通信开销较大。因为pycuda的出现，也使得我们可以直接在python内直接使用GPU函数，当然也可以直接在python代码中集成一些C++的代码，用于构建GPU计算的函数。有一个专门介绍pycuda使用案例的中文开源代码仓可以简单参考一些实现的示例，但是这里面的示例数量还是比较有限，更多的案例可以直接参考pycuda官方文档。

pycuda环境配置

pycuda的安装环境很大程度上取决约显卡驱动本身是否能够安装成功，除了安装pycuda库本身之外，重点是需要确保如下的指令可以运行成功：

[dechin@dechin-manjaro pycuda]$ nvidia-smi
Sun Mar 21 20:26:43 2021       
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 455.45.01    Driver Version: 455.45.01    CUDA Version: 11.1     |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU  Name        Persistence-M| Bus-Id        Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan  Temp  Perf  Pwr:Usage/Cap|         Memory-Usage | GPU-Util  Compute M. |
|                               |                      |               MIG M. |
|===============================+======================+======================|
|   0  GeForce MX250       Off  | 00000000:3C:00.0 Off |                  N/A |
| N/A   48C    P0    N/A /  N/A |      0MiB /  2002MiB |      0％      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
                                                                               
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                  |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                  GPU Memory |
|        ID   ID                                                   Usage      |
|=============================================================================|
|  No running processes found                                                 |
+-----------------------------------------------------------------------------+

上述返回的结果是一个没有GPU任务情况下的展示界面，包含有显卡型号、显卡内存等信息。如果存在执行的任务，则显示结果如下案例所示：

[dechin@dechin-manjaro pycuda]$ nvidia-smi
Sun Mar 21 20:56:04 2021       
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 455.45.01    Driver Version: 455.45.01    CUDA Version: 11.1     |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU  Name        Persistence-M| Bus-Id        Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan  Temp  Perf  Pwr:Usage/Cap|         Memory-Usage | GPU-Util  Compute M. |
|                               |                      |               MIG M. |
|===============================+======================+======================|
|   0  GeForce MX250       Off  | 00000000:3C:00.0 Off |                  N/A |
| N/A   47C    P0    N/A /  N/A |     31MiB /  2002MiB |      0％      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
                                                                               
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                  |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                  GPU Memory |
|        ID   ID                                                   Usage      |
|=============================================================================|
|    0   N/A  N/A     18427      C   python3                            29MiB |
+-----------------------------------------------------------------------------+

我们发现这里多了一个pid为18427的python的进程正在使用GPU进行计算。在运算过程中，如果任务未能够执行成功，有可能在内存中遗留一个进程，这需要我们自己手动去释放。最简单粗暴的方法就是：直接使用kill -9 pid来杀死残留的进程。我们可以使用pycuda自带的函数接口，也可以自己写C++代码来实现GPU计算的相关功能，当然一般情况下更加推荐使用pycuda自带的函数。以下为一部分已经实现的接口函数，比如gpuarray的函数：

再比如cumath的函数：

使用GPU计算向量指数

对于一个向量的指数而言，其实就是将每一个的向量元素取指数。当然，这与前面一篇关于量子门操作的博客中介绍的矩阵指数略有区别，这点要注意区分。

在下面的示例中，我们对比了numpy中实现的指数运算和pycuda中实现的指数运算。

# array_exp.py

import pycuda.autoinit
import pycuda.gpuarray as ga
import pycuda.cumath as gm
import numpy as np
import sys

if sys.argv[1] == '-l':
   length = int(sys.argv[2]) # 从命令行获取参数值

np.random.seed(1)
array = np.random.randn(length).astype(np.float32)
array_gpu = ga.to_gpu(array)

exp_array = np.exp(array)
print (exp_array)
exp_array_gpu = gm.exp(array_gpu)
gpu_exp_array = exp_array_gpu.get()
print (gpu_exp_array)

这里面我们计算一个随机向量的指数，向量的维度length是从命令行获取的一个参数，上述代码的执行方式和执行结果如下所示：

[dechin@dechin-manjaro pycuda]$ python3 array_exp.py -l 5
[5.0750957  0.5423974  0.58968204 0.34199178 2.3759744 ]
[5.075096   0.5423974  0.58968204 0.34199178 2.3759747 ]

我们先确保两者计算出来的结果是一致的，这里我们可以观察到，两个计算的结果只保障了7位的有效数字是相等的，这一点在大部分的场景下精度都是有保障的。接下来我们使用timeit来统计和对比两者的性能：

# array_exp.py

import pycuda.autoinit
import pycuda.gpuarray as ga
import pycuda.cumath as gm
import numpy as np
import sys
import timeit

if sys.argv[1] == '-l':
   length = int(sys.argv[2])

np.random.seed(1)
array = np.random.randn(length).astype(np.float32)
array_gpu = ga.to_gpu(array)

def npexp():
   exp_array = np.exp(array)

def gmexp():
   exp_array_gpu = gm.exp(array_gpu)
   # gpu_exp_array = exp_array_gpu.get()

if __name__ == '__main__':
   n = 1000
   t1 = timeit.timeit('npexp()', setup='from __main__ import npexp', number=n)
   print (t1)
   t2 = timeit.timeit('gmexp()', setup='from __main__ import gmexp', number=n)
   print (t2)

这里也顺便介绍一下timeit的使用方法：这个函数的输入分别是：函数名、函数的导入方式、函数的重复次数。这里需要特别说明的是，如果在函数的导入方式中，不使用__main__函数进行导入，即使是本文件下的python函数，也是无法被导入成功的。在输入的向量达到一定的规模大小时，我们发现在执行时间上相比于numpy有非常大的优势。当然还有一点需要注意的是，由于我们测试的是计算速度，原本使用了get()函数将GPU中计算的结果进行导出，但是这部分其实不应该包含在计算的时间内，因此后来又注释掉了。具体的测试数据如下所示：

[dechin@dechin-manjaro pycuda]$ python3 array_exp.py -l 10000000
26.13127974300005
3.469969915000547

总结概要

使用GPU来进行计算，可以极大程度上的加速我们所需要计算的任务，这得益于GPU强大的自带的并行化技术。pycuda的出现，使得我们不需要手工去写GPU的C或者C++代码也可以调用GPU来进行计算，还提供了众多的python接口可以直接使用。经过测试，本文给出了一些pycuda的基本使用方法示例，以及初步的测试结果，从测试结果中我们进一步明确了pycuda的高性能特性。

来源：https://www.cnblogs.com/dechinphy/p/pycuda.html