5.6. GPU

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SageMaker Studio Lab

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在 表1.5.1中， 我们回顾了过去20年计算能力的快速增长。 简而言之，自2000年以来，GPU性能每十年增长1000倍。

本节，我们将讨论如何利用这种计算性能进行研究。 首先是如何使用单个GPU，然后是如何使用多个GPU和多个服务器（具有多个GPU）。

我们先看看如何使用单个NVIDIA GPU进行计算。 首先，确保至少安装了一个NVIDIA GPU。 然后，下载NVIDIA驱动和CUDA 并按照提示设置适当的路径。 当这些准备工作完成，就可以使用nvidia-smi命令来查看显卡信息。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

!nvidia-smi

Fri Aug 18 07:20:27 2023
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 470.161.03   Driver Version: 470.161.03   CUDA Version: 12.1     |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| 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  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1B.0 Off |                    0 |
| N/A   55C    P0    56W / 300W |    885MiB / 16160MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   1  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1C.0 Off |                    0 |
| N/A   47C    P0    55W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   2  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1D.0 Off |                    0 |
| N/A   51C    P0    58W / 300W |    883MiB / 16160MiB |      1%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   3  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1E.0 Off |                    0 |
| N/A   48C    P0    58W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      3%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+

+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                  |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                  GPU Memory |
|        ID   ID                                                   Usage      |
|=============================================================================|
+-----------------------------------------------------------------------------+

读者可能已经注意到MXNet张量看起来与NumPy的ndarray几乎相同。 但有一些关键区别，其中之一是MXNet支持不同的硬件设备。

在MXNet中，每个数组都有一个环境（context）。 默认情况下，所有变量和相关的计算都分配给CPU。 有时环境可能是GPU。 当我们跨多个服务器部署作业时，事情会变得更加棘手。 通过智能地将数组分配给环境， 我们可以最大限度地减少在设备之间传输数据的时间。 例如，当在带有GPU的服务器上训练神经网络时， 我们通常希望模型的参数在GPU上。

接下来，我们需要确认是否安装了MXNet的GPU版本。 如果已经安装了MXNet的CPU版本，我们需要先卸载它。 例如，使用pip uninstall mxnet命令， 然后根据CUDA版本安装相应的MXNet的GPU版本。 例如，假设已经安装了CUDA10.0，可以通过pip install mxnet-cu100安装支持CUDA10.0的MXNet版本。

!nvidia-smi

Fri Aug 18 06:58:06 2023
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 470.161.03   Driver Version: 470.161.03   CUDA Version: 11.7     |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| 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  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1B.0 Off |                    0 |
| N/A   41C    P0    42W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   1  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1C.0 Off |                    0 |
| N/A   44C    P0   113W / 300W |   1456MiB / 16160MiB |     53%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   2  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1D.0 Off |                    0 |
| N/A   43C    P0   120W / 300W |   1358MiB / 16160MiB |     55%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   3  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1E.0 Off |                    0 |
| N/A   42C    P0    47W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+

+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                  |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                  GPU Memory |
|        ID   ID                                                   Usage      |
|=============================================================================|
+-----------------------------------------------------------------------------+

在PyTorch中，每个数组都有一个设备（device）， 我们通常将其称为环境（context）。 默认情况下，所有变量和相关的计算都分配给CPU。 有时环境可能是GPU。 当我们跨多个服务器部署作业时，事情会变得更加棘手。 通过智能地将数组分配给环境， 我们可以最大限度地减少在设备之间传输数据的时间。 例如，当在带有GPU的服务器上训练神经网络时， 我们通常希望模型的参数在GPU上。

!nvidia-smi

Fri Aug 18 06:58:40 2023
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 470.161.03   Driver Version: 470.161.03   CUDA Version: 11.8     |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| 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  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1B.0 Off |                    0 |
| N/A   41C    P0    54W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   1  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1C.0 Off |                    0 |
| N/A   42C    P0    53W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   2  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1D.0 Off |                    0 |
| N/A   41C    P0    57W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   3  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1E.0 Off |                    0 |
| N/A   43C    P0    59W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      2%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+

+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                  |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                  GPU Memory |
|        ID   ID                                                   Usage      |
|=============================================================================|
|  No running processes found                                                 |
+-----------------------------------------------------------------------------+

!nvidia-smi

Fri Aug 18 09:06:07 2023
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 470.161.03   Driver Version: 470.161.03   CUDA Version: 11.8     |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| 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  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1B.0 Off |                    0 |
| N/A   47C    P0    54W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   1  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1C.0 Off |                    0 |
| N/A   43C    P0    53W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   2  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1D.0 Off |                    0 |
| N/A   43C    P0    55W / 300W |      0MiB / 16160MiB |      0%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   3  Tesla V100-SXM2...  Off  | 00000000:00:1E.0 Off |                    0 |
| N/A   45C    P0    58W / 300W |      3MiB / 16160MiB |      2%      Default |
|                               |                      |                  N/A |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+

+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                  |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                  GPU Memory |
|        ID   ID                                                   Usage      |
|=============================================================================|
|  No running processes found                                                 |
+-----------------------------------------------------------------------------+

在PaddlePaddle中，每个张量都有一个设备（device）， 我们通常将其称为上下文（context）。 默认情况下，所有变量和相关的计算都分配给CPU。 有时上下文可能是GPU。 当我们跨多个服务器部署作业时，事情会变得更加棘手。 通过智能地将数组分配给上下文， 我们可以最大限度地减少在设备之间传输数据的时间。 例如，当在带有GPU的服务器上训练神经网络时， 我们通常希望模型的参数在GPU上。

接下来，我们需要确认安装了PaddlePaddle的GPU版本。 如果已经安装了PaddlePaddle的CPU版本，我们需要先卸载它。 然后根据你的CUDA版本安装相应的PaddlePaddle的GPU版本。 例如，假设你安装了CUDA10.1，你可以通过conda install paddlepaddle-gpu==2.2.2 cudatoolkit=10.1 --channel https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/cloud/Paddle/安装支持CUDA10.1的PaddlePaddle版本。

要运行此部分中的程序，至少需要两个GPU。 注意，对大多数桌面计算机来说，这可能是奢侈的，但在云中很容易获得。 例如可以使用AWS EC2的多GPU实例。 本书的其他章节大都不需要多个GPU， 而本节只是为了展示数据如何在不同的设备之间传递。

5.6.1. 计算设备

我们可以指定用于存储和计算的设备，如CPU和GPU。 默认情况下，张量是在内存中创建的，然后使用CPU计算它。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

在MXNet中，CPU和GPU可以用cpu()和gpu()表示。 需要注意的是，cpu()（或括号中的任意整数）表示所有物理CPU和内存， 这意味着MXNet的计算将尝试使用所有CPU核心。 然而，gpu()只代表一个卡和相应的显存。 如果有多个GPU，我们使用gpu(i)表示第\(i\)块GPU（\(i\)从0开始）。 另外，gpu(0)和gpu()是等价的。

from mxnet import np, npx
from mxnet.gluon import nn

npx.set_np()

npx.cpu(), npx.gpu(), npx.gpu(1)

(cpu(0), gpu(0), gpu(1))

在PyTorch中，CPU和GPU可以用torch.device('cpu') 和torch.device('cuda')表示。 应该注意的是，cpu设备意味着所有物理CPU和内存， 这意味着PyTorch的计算将尝试使用所有CPU核心。 然而，gpu设备只代表一个卡和相应的显存。 如果有多个GPU，我们使用torch.device(f'cuda:{i}') 来表示第\(i\)块GPU（\(i\)从0开始）。 另外，cuda:0和cuda是等价的。

import torch
from torch import nn

torch.device('cpu'), torch.device('cuda'), torch.device('cuda:1')

(device(type='cpu'), device(type='cuda'), device(type='cuda', index=1))

import tensorflow as tf

tf.device('/CPU:0'), tf.device('/GPU:0'), tf.device('/GPU:1')

(<tensorflow.python.eager.context._EagerDeviceContext at 0x7fee482b4f00>,
 <tensorflow.python.eager.context._EagerDeviceContext at 0x7fee482b49c0>,
 <tensorflow.python.eager.context._EagerDeviceContext at 0x7fee482b48c0>)

在飞桨中，CPU和GPU可以用paddle.device.set_device('cpu') 和paddle.device.set_device('gpu')表示。 应该注意的是，cpu设备意味着所有物理CPU和内存, 这意味着飞桨的计算将尝试使用所有CPU核心。 然而，gpu设备只代表一个卡和相应的显存。 如果有多个GPU，我们使用paddle.device.get_device() 其中输出的数字是表示的是卡号（比如gpu:3，表示的是卡3，注意GPU的卡号是从0开始的）。 另外，gpu:0和gpu是等价的。

import paddle
from paddle import nn

paddle.device.set_device("cpu"), paddle.CUDAPlace(0), paddle.CUDAPlace(1)

(Place(cpu), Place(gpu:0), Place(gpu:1))

我们可以查询可用gpu的数量。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

npx.num_gpus()

2

torch.cuda.device_count()

2

len(tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU'))

2

paddle.device.cuda.device_count()

2

现在我们定义了两个方便的函数， 这两个函数允许我们在不存在所需所有GPU的情况下运行代码。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

def try_gpu(i=0):  #@save
    """如果存在，则返回gpu(i)，否则返回cpu()"""
    return npx.gpu(i) if npx.num_gpus() >= i + 1 else npx.cpu()

def try_all_gpus():  #@save
    """返回所有可用的GPU，如果没有GPU，则返回[cpu()]"""
    devices = [npx.gpu(i) for i in range(npx.num_gpus())]
    return devices if devices else [npx.cpu()]

try_gpu(), try_gpu(10), try_all_gpus()

(gpu(0), cpu(0), [gpu(0), gpu(1)])

def try_gpu(i=0):  #@save
    """如果存在，则返回gpu(i)，否则返回cpu()"""
    if torch.cuda.device_count() >= i + 1:
        return torch.device(f'cuda:{i}')
    return torch.device('cpu')

def try_all_gpus():  #@save
    """返回所有可用的GPU，如果没有GPU，则返回[cpu(),]"""
    devices = [torch.device(f'cuda:{i}')
             for i in range(torch.cuda.device_count())]
    return devices if devices else [torch.device('cpu')]

try_gpu(), try_gpu(10), try_all_gpus()

(device(type='cuda', index=0),
 device(type='cpu'),
 [device(type='cuda', index=0), device(type='cuda', index=1)])

def try_gpu(i=0):  #@save
    """如果存在，则返回gpu(i)，否则返回cpu()"""
    if len(tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU')) >= i + 1:
        return tf.device(f'/GPU:{i}')
    return tf.device('/CPU:0')

def try_all_gpus():  #@save
    """返回所有可用的GPU，如果没有GPU，则返回[cpu(),]"""
    num_gpus = len(tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU'))
    devices = [tf.device(f'/GPU:{i}') for i in range(num_gpus)]
    return devices if devices else [tf.device('/CPU:0')]

try_gpu(), try_gpu(10), try_all_gpus()

(<tensorflow.python.eager.context._EagerDeviceContext at 0x7fecce154d00>,
 <tensorflow.python.eager.context._EagerDeviceContext at 0x7fecce14e5c0>,
 [<tensorflow.python.eager.context._EagerDeviceContext at 0x7fecce152080>,
  <tensorflow.python.eager.context._EagerDeviceContext at 0x7fecce152100>])

#@save
def try_gpu(i=0):
    """如果存在，则返回gpu(i)，否则返回cpu()。"""
    if paddle.device.cuda.device_count() >= i + 1:
        return paddle.CUDAPlace(i)
    return paddle.CPUPlace()

#@save
def try_all_gpus():
    """返回所有可用的GPU，如果没有GPU，则返回[cpu(),]。"""
    devices = [paddle.CUDAPlace(i)
               for i in range(paddle.device.cuda.device_count())]
    return devices if devices else paddle.CPUPlace()

try_gpu(),try_gpu(10),try_all_gpus()

(Place(gpu:0), Place(cpu), [Place(gpu:0), Place(gpu:1)])

5.6.2. 张量与GPU

我们可以查询张量所在的设备。 默认情况下，张量是在CPU上创建的。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

x = np.array([1, 2, 3])
x.ctx

[07:20:33] ../src/storage/storage.cc:196: Using Pooled (Naive) StorageManager for CPU

cpu(0)

x = torch.tensor([1, 2, 3])
x.device

device(type='cpu')

x = tf.constant([1, 2, 3])
x.device

'/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0'

x = paddle.to_tensor([1, 2, 3])
x.place

Place(cpu)

需要注意的是，无论何时我们要对多个项进行操作， 它们都必须在同一个设备上。 例如，如果我们对两个张量求和， 我们需要确保两个张量都位于同一个设备上， 否则框架将不知道在哪里存储结果，甚至不知道在哪里执行计算。

5.6.2.1. 存储在GPU上

有几种方法可以在GPU上存储张量。 例如，我们可以在创建张量时指定存储设备。接 下来，我们在第一个gpu上创建张量变量X。 在GPU上创建的张量只消耗这个GPU的显存。 我们可以使用nvidia-smi命令查看显存使用情况。 一般来说，我们需要确保不创建超过GPU显存限制的数据。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

X = np.ones((2, 3), ctx=try_gpu())
X

[07:20:34] ../src/storage/storage.cc:196: Using Pooled (Naive) StorageManager for GPU

array([[1., 1., 1.],
       [1., 1., 1.]], ctx=gpu(0))

X = torch.ones(2, 3, device=try_gpu())
X

tensor([[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]], device='cuda:0')

with try_gpu():
    X = tf.ones((2, 3))
X

<tf.Tensor: shape=(2, 3), dtype=float32, numpy=
array([[1., 1., 1.],
       [1., 1., 1.]], dtype=float32)>

X = paddle.to_tensor(paddle.ones(shape=[2, 3]), place=try_gpu())
X

W0818 09:06:11.068089  2486 gpu_resources.cc:61] Please NOTE: device: 0, GPU Compute Capability: 7.0, Driver API Version: 11.8, Runtime API Version: 11.8
W0818 09:06:11.098250  2486 gpu_resources.cc:91] device: 0, cuDNN Version: 8.7.

Tensor(shape=[2, 3], dtype=float32, place=Place(gpu:0), stop_gradient=True,
       [[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]])

假设我们至少有两个GPU，下面的代码将在第二个GPU上创建一个随机张量。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

Y = np.random.uniform(size=(2, 3), ctx=try_gpu(1))
Y

[07:20:35] ../src/storage/storage.cc:196: Using Pooled (Naive) StorageManager for GPU

array([[0.67478997, 0.07540122, 0.9956977 ],
       [0.09488854, 0.415456  , 0.11231736]], ctx=gpu(1))

Y = torch.rand(2, 3, device=try_gpu(1))
Y

tensor([[0.4860, 0.1285, 0.0440],
        [0.9743, 0.4159, 0.9979]], device='cuda:1')

with try_gpu(1):
    Y = tf.random.uniform((2, 3))
Y

<tf.Tensor: shape=(2, 3), dtype=float32, numpy=
array([[0.7405896 , 0.82039356, 0.7482799 ],
       [0.4989698 , 0.53144634, 0.8621385 ]], dtype=float32)>

Y = paddle.to_tensor(paddle.rand([2, 3]), place=try_gpu(1))
Y

Tensor(shape=[2, 3], dtype=float32, place=Place(gpu:1), stop_gradient=True,
       [[0.60054642, 0.66369802, 0.89244127],
        [0.01530350, 0.93688911, 0.20288545]])

5.6.2.2. 复制

如果我们要计算X + Y，我们需要决定在哪里执行这个操作。 例如，如 图5.6.1所示， 我们可以将X传输到第二个GPU并在那里执行操作。 不要简单地X加上Y，因为这会导致异常， 运行时引擎不知道该怎么做：它在同一设备上找不到数据会导致失败。 由于Y位于第二个GPU上，所以我们需要将X移到那里， 然后才能执行相加运算。

图5.6.1 复制数据以在同一设备上执行操作

mxnetpytorchtensorflowpaddle

Z = X.copyto(try_gpu(1))
print(X)
print(Z)

[[1. 1. 1.]
 [1. 1. 1.]] @gpu(0)
[[1. 1. 1.]
 [1. 1. 1.]] @gpu(1)

Z = X.cuda(1)
print(X)
print(Z)

tensor([[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]], device='cuda:0')
tensor([[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]], device='cuda:1')

with try_gpu(1):
    Z = X
print(X)
print(Z)

tf.Tensor(
[[1. 1. 1.]
 [1. 1. 1.]], shape=(2, 3), dtype=float32)
tf.Tensor(
[[1. 1. 1.]
 [1. 1. 1.]], shape=(2, 3), dtype=float32)

Z = X.cuda(1)
print(X)
print(Z)

Tensor(shape=[2, 3], dtype=float32, place=Place(gpu:0), stop_gradient=True,
       [[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]])
Tensor(shape=[2, 3], dtype=float32, place=Place(gpu:1), stop_gradient=True,
       [[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]])

现在数据在同一个GPU上（Z和Y都在），我们可以将它们相加。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

Y + Z

array([[1.6747899, 1.0754012, 1.9956977],
       [1.0948886, 1.415456 , 1.1123173]], ctx=gpu(1))

假设变量Z已经存在于第二个GPU上。 如果现在我们还是调用Z.copyto(gpu(1))会发生什么？ 即使该变量已经存在于目标设备（第二个GPU）上， 它仍将被复制并保存在新分配的显存中。 有时，我们只想在变量存在于不同设备中时进行复制。 在这种情况下，我们可以调用as_in_ctx。 如果变量已经存在于指定的设备中，则这不会进行任何操作。 除非我们特别想创建一个复制，否则选择as_in_ctx方法。

Z.as_in_ctx(try_gpu(1)) is Z

True

Y + Z

tensor([[1.4860, 1.1285, 1.0440],
        [1.9743, 1.4159, 1.9979]], device='cuda:1')

假设变量Z已经存在于第二个GPU上。 如果我们还是调用Z.cuda(1)会发生什么？ 它将返回Z，而不会复制并分配新内存。

Z.cuda(1) is Z

True

Y + Z

<tf.Tensor: shape=(2, 3), dtype=float32, numpy=
array([[1.7405896, 1.8203936, 1.7482799],
       [1.4989698, 1.5314463, 1.8621385]], dtype=float32)>

假设变量Z已经存在于第二个GPU上。 如果我们仍然在同一个设备作用域下调用Z2 = Z会发生什么？ 它将返回Z，而不会复制并分配新内存。

with try_gpu(1):
    Z2 = Z
Z2 is Z

True

Y + Z

Tensor(shape=[2, 3], dtype=float32, place=Place(cpu), stop_gradient=True,
       [[1.60054636, 1.66369796, 1.89244127],
        [1.01530349, 1.93688917, 1.20288539]])

Z.cuda(1) is Z

False

5.6.2.3. 旁注

人们使用GPU来进行机器学习，因为单个GPU相对运行速度快。 但是在设备（CPU、GPU和其他机器）之间传输数据比计算慢得多。 这也使得并行化变得更加困难，因为我们必须等待数据被发送（或者接收）， 然后才能继续进行更多的操作。 这就是为什么拷贝操作要格外小心。 根据经验，多个小操作比一个大操作糟糕得多。 此外，一次执行几个操作比代码中散布的许多单个操作要好得多。 如果一个设备必须等待另一个设备才能执行其他操作， 那么这样的操作可能会阻塞。 这有点像排队订购咖啡，而不像通过电话预先订购： 当客人到店的时候，咖啡已经准备好了。

最后，当我们打印张量或将张量转换为NumPy格式时， 如果数据不在内存中，框架会首先将其复制到内存中， 这会导致额外的传输开销。 更糟糕的是，它现在受制于全局解释器锁，使得一切都得等待Python完成。

5.6.3. 神经网络与GPU

类似地，神经网络模型可以指定设备。 下面的代码将模型参数放在GPU上。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

net = nn.Sequential()
net.add(nn.Dense(1))
net.initialize(ctx=try_gpu())

net = nn.Sequential(nn.Linear(3, 1))
net = net.to(device=try_gpu())

strategy = tf.distribute.MirroredStrategy()
with strategy.scope():
    net = tf.keras.models.Sequential([
        tf.keras.layers.Dense(1)])

INFO:tensorflow:Using MirroredStrategy with devices ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0', '/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:1')

net = nn.Sequential(nn.Linear(3, 1))
net=net.to(try_gpu())

在接下来的几章中， 我们将看到更多关于如何在GPU上运行模型的例子， 因为它们将变得更加计算密集。

当输入为GPU上的张量时，模型将在同一GPU上计算结果。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

net(X)

array([[0.04995865],
       [0.04995865]], ctx=gpu(0))

net(X)

tensor([[-0.4275],
        [-0.4275]], device='cuda:0', grad_fn=<AddmmBackward0>)

net(X)

<tf.Tensor: shape=(2, 1), dtype=float32, numpy=
array([[-1.1429136],
       [-1.1429136]], dtype=float32)>

net(X)

Tensor(shape=[2, 1], dtype=float32, place=Place(cpu), stop_gradient=False,
       [[0.72271824],
        [0.72271824]])

让我们确认模型参数存储在同一个GPU上。

mxnetpytorchtensorflowpaddle

net[0].weight.data().ctx

gpu(0)

net[0].weight.data.device

device(type='cuda', index=0)

net.layers[0].weights[0].device, net.layers[0].weights[1].device

('/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0',
 '/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0')

net[0].weight.place

Place(cpu)

总之，只要所有的数据和参数都在同一个设备上， 我们就可以有效地学习模型。 在下面的章节中，我们将看到几个这样的例子。

5.6.4. 小结

• 我们可以指定用于存储和计算的设备，例如CPU或GPU。默认情况下，数据在主内存中创建，然后使用CPU进行计算。

• 深度学习框架要求计算的所有输入数据都在同一设备上，无论是CPU还是GPU。

• 不经意地移动数据可能会显著降低性能。一个典型的错误如下：计算GPU上每个小批量的损失，并在命令行中将其报告给用户（或将其记录在NumPy ndarray中）时，将触发全局解释器锁，从而使所有GPU阻塞。最好是为GPU内部的日志分配内存，并且只移动较大的日志。

5.6.5. 练习

1. 尝试一个计算量更大的任务，比如大矩阵的乘法，看看CPU和GPU之间的速度差异。再试一个计算量很小的任务呢？

2. 我们应该如何在GPU上读写模型参数？

3. 测量计算1000个\(100 \times 100\)矩阵的矩阵乘法所需的时间，并记录输出矩阵的Frobenius范数，一次记录一个结果，而不是在GPU上保存日志并仅传输最终结果。

4. 测量同时在两个GPU上执行两个矩阵乘法与在一个GPU上按顺序执行两个矩阵乘法所需的时间。提示：应该看到近乎线性的缩放。

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