Python实现GPU加速的基本操作

技术背景

之前写过一篇讲述如何使用pycuda来在Python上写CUDA程序的博客。这个方案的特点在于完全遵循了CUDA程序的写法，只是支持了一些常用函数的接口，如果你需要自己写CUDA算子，那么就只能使用非常不Pythonic的写法。还有一种常见的方法是用cupy来替代numpy，相当于一个GPU版本的numpy。那么本文要讲述的是用numba自带的装饰器，来写一个非常Pythonic的CUDA程序。

CUDA的线程与块

GPU从计算逻辑来讲，可以认为是一个高并行度的计算阵列，我们可以想象成一个二维的像围棋棋盘一样的网格，每一个格子都可以执行一个单独的任务，并且所有的格子可以同时执行计算任务，这就是GPU加速的来源。那么刚才所提到的棋盘，每一列都认为是一个线程，并有自己的线程编号；每一行都是一个块，有自己的块编号。我们可以通过一些简单的程序来理解这其中的逻辑：

用GPU打印线程编号

# 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打印块编号

# 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打印块的维度

# 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打印线程的维度

# 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

总结

我们可以用如下的一张图来总结刚才提到的GPU网格的概念，在上面的测试案例中，我们在GPU上划分一块2*4大小的阵列用于我们自己的计算，每一行都是一个块，每一列都是一个线程，所有的网格是同时执行计算的内容的(如果没有逻辑上的依赖的话)。

GPU所支持的最大并行度

我们可以用几个简单的程序来测试一下GPU的并行度，因为每一个GPU上的网格都可以独立的执行一个任务，因此我们认为可以分配多少个网格，就有多大的并行度。本机的最大并行应该是在\(2^40\)，因此假设我们给GPU分配\(2^50\)大小的网格，程序就会报错：

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda

@cuda.jit
def gpu():
    pass

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

运行结果如下：

Traceback (most recent call last):
  File "numba_cuda_test.py", line 10, in 
    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

而如果我们分配一个额定大小之内的网格，程序就可以正常的运行：

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda

@cuda.jit
def gpu():
    pass

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

这里加了一个打印输出：

Running Success!

需要注意的是，两个维度上的可分配大小是不一致的，比如本机的上限是分配2^30*210大小的空间用于计算：

# numba_cuda_test.py

from numba import cuda

@cuda.jit
def gpu():
    pass

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

同样的，只要在允许的范围内都是可以执行成功的：

Running Success!

如果在本机上有多块GPU的话，还可以通过select_device的指令来选择执行指令的GPU编号：

# 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!')

如果两块GPU的可分配空间一致的话，就可以运行成功：

Running Success!

GPU的加速效果

前面我们经常提到一个词叫GPU加速，GPU之所以能够实现加速的效果，正源自于GPU本身的高度并行性。这里我们直接用一个数组求和的案例来说明GPU的加速效果，这个案例需要得到的结果是\(b_j=a_j+b_j\)，将求和后的值赋值在其中的一个输入数组之上，以节省一些内存空间。当然，如果这个数组还有其他的用途的话，是不能这样操作的。具体代码如下：

# 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实现的Python的GPU加速程序，采用的jit即时编译的模式，也就是说，在运行调用到相关函数时，才会对其进行编译优化。换句话说，第一次执行这一条指令的时候，事实上达不到加速的效果，因为这个运行的时间包含了较长的一段编译时间。但是从第二次运行调用开始，就不需要重新编译，这时候GPU加速的效果就体现出来了，运行结果如下：

$ 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中优化程度十分强大的的Numpy实现，我们自己写的GPU加速的程序也能够达到5倍的加速效果(在前面一篇博客中，针对于特殊计算场景，加速效果可达1000倍以上)，而且可定制化程度非常之高。

总结概要

本文针对于Python中使用Numba的GPU加速程序的一些基本概念和实现的方法，比如GPU中的线程和模块的概念，以及给出了一个矢量加法的代码案例，进一步说明了GPU加速的效果。需要注意的是，由于Python中的Numba实现是一种即时编译的技术，因此第一次运算时的时间会明显较长，所以我们一般说GPU加速是指从第二步开始的运行时间。对于一些工业和学界常见的场景，比如分子动力学模拟中的系统演化，或者是深度学习与量子计算中的参数优化，都是相同维度参数多步运算的一个过程，非常适合使用即时编译的技术，配合以GPU高度并行化的加速效果，能够在实际工业和学术界的各种场景下发挥巨大的作用。

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