深度学习|如何确定 CUDA+PyTorch 版本

对于深度学习初学者来说，配置深度学习的环境可能是一大难题，因此本文主要讲解CUDA; cuDNN; Pytorch 三者是什么，以及他们之间的依赖关系。

CUDA

CUDA（Compute Unified Device Architecture）是由NVIDIA开发的用于并行计算的平台和编程模型。CUDA旨在利用NVIDIA GPU（图形处理单元）的强大计算能力来加速各种科学计算、数值模拟和深度学习任务。

1. GPU并行计算：

   CUDA使GPU能够执行并行计算任务，从而大幅提高了计算性能。GPU由许多小型处理单元组成，每个处理单元都能够执行多个线程，这意味着GPU可以同时处理大量的计算任务。

2. CUDA编程模型：

   CUDA提供了一种编程模型，允许开发人员编写C/C++代码，利用GPU的并行性来执行任务。开发人员可以编写称为"核函数"（kernel）的代码，这些核函数在GPU上并行执行。CUDA编程模型还提供了一组API（应用程序接口）来管理GPU内存、控制GPU设备和调度核函数的执行。

3. 并行计算应用：

   CUDA广泛用于各种领域的科学计算和高性能计算应用，包括：

   • 数值模拟：CUDA可用于模拟物理现象、天气模型、流体力学等领域的数值模拟。
   • 深度学习：深度学习框架如TensorFlow和PyTorch都支持CUDA，可用于训练和推理深度神经网络，加速图像识别、自然语言处理等任务。
   • 分子动力学：用于模拟分子之间相互作用，有助于药物设计和材料科学研究。
   • 地球科学：用于地震模拟、气象学、地球物理学等领域的大规模数值模拟。

4. NVIDIA GPU支持：

   CUDA仅适用于NVIDIA GPU。不同版本的CUDA通常与特定型号的NVIDIA GPU兼容，因此需要确保你的GPU支持所选版本的CUDA。

5. CUDA工具和库：

   NVIDIA提供了一套用于CUDA开发的工具和库，包括CUDA Toolkit、cuDNN（CUDA深度神经网络库）、cuBLAS（CUDA基础线性代数库）等。这些工具和库简化了CUDA应用程序的开发和优化过程。

Cudnn

cuDNN（CUDA Deep Neural Network Library）是由NVIDIA开发的用于深度学习的加速库。cuDNN旨在优化神经网络的前向传播和反向传播过程，以利用NVIDIA GPU的并行计算能力，从而加速深度学习模型的训练和推理。

1. 深度学习加速：

   cuDNN是专门为深度学习任务而设计的，旨在加速神经网络的训练和推理。它提供了一系列高度优化的算法和函数，用于执行神经网络层的前向传播、反向传播和权重更新。

2. GPU加速：

   cuDNN充分利用NVIDIA GPU的并行计算能力，以高效地执行深度学习操作。这使得训练深度神经网络更快速，尤其是对于大型模型和大规模数据集。

3. 深度学习框架支持：

   cuDNN被广泛用于多个深度学习框架，包括TensorFlow、PyTorch、Caffe、MXNet等。这些框架通过cuDNN来加速模型的训练和推理过程，使得深度学习研究和开发更加高效。

4. 提高性能：

   cuDNN通过使用高度优化的卷积和池化算法、自动混合精度计算、内存管理和多GPU支持等技术，显著提高了深度学习任务的性能。这些优化可以加速卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）、生成对抗网络（GAN）等各种类型的神经网络。

5. 版本兼容性：

   cuDNN的不同版本与NVIDIA GPU架构和深度学习框架的版本兼容。因此，为了获得最佳性能，你需要选择适用于你的GPU型号和深度学习框架版本的cuDNN版本。

6. 免费使用：

   cuDNN是免费的，可以在NVIDIA的官方网站上下载和使用。

PyTorch

PyTorch 是一个开源的深度学习框架，由Facebook的人工智能研究团队开发和维护。它是一个非常流行的深度学习框架，用于构建和训练神经网络模型。

1. 动态计算图：

   PyTorch 采用动态计算图（Dynamic Computational Graph）的方式来定义和执行神经网络。这意味着你可以像编写常规Python代码一样编写神经网络，同时保留了计算图的优势，使模型的构建和调试更加直观和灵活。

2. 灵活性：

   PyTorch 提供了丰富的张量操作，以及各种优化工具和模块，可以轻松构建各种类型的深度学习模型，包括卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）、生成对抗网络（GAN）等。它还支持自定义神经网络层和损失函数，允许你创建高度定制的模型。

3. GPU加速：

   PyTorch天然支持GPU加速，你可以在GPU上训练和执行神经网络，大幅提高了计算性能。PyTorch的GPU张量操作与CPU张量操作非常相似，使得将计算从CPU迁移到GPU变得相对容易。

4. 动态调试：

   由于采用动态计算图，PyTorch允许你在模型构建和训练过程中轻松进行动态调试，检查梯度、查看中间变量等。这对于理解和诊断模型行为非常有帮助。

5. 丰富的生态系统：

   PyTorch拥有庞大的用户社区，有许多开源项目、库和工具，可以扩展其功能。这些包括模型部署工具、迁移学习库、自然语言处理工具和计算机视觉工具，以及与其他深度学习框架的集成。

6. 深度学习研究和教育：

   PyTorch在深度学习研究和教育中非常流行，因为它易于学习、易于使用，并提供了丰富的教程和文档资源。它还被许多大学和研究机构用于深度学习课程和研究项目。

7. 跨平台支持：

   PyTorch支持多种操作系统，包括Linux、macOS和Windows，以及多种编程语言接口，如Python、C++等。这使得它适用于各种应用场景。

三者关系

CUDA、cuDNN 和 PyTorch 是三个不同但相关的组件，它们之间存在一些依赖关系，特别是在使用 PyTorch 进行深度学习开发时。

1. CUDA（Compute Unified Device Architecture）：
   • CUDA是GPU并行计算平台：CUDA 是由 NVIDIA 开发的用于并行计算的平台和编程模型。它允许开发人员利用 NVIDIA GPU 的强大计算能力来加速各种科学计算、数值模拟和深度学习任务。
   • PyTorch依赖CUDA：PyTorch 使用 CUDA 来加速神经网络的训练和推理。在 PyTorch 中，张量（Tensor）可以在 CPU 或 GPU 上进行计算。如果你想在 GPU 上训练神经网络，你需要确保 CUDA 已经正确安装并配置。
   • 版本兼容性：不同版本的 PyTorch 可能需要特定版本的 CUDA。你需要根据所使用的 PyTorch 版本来选择合适的 CUDA 版本，以确保兼容性。
2. cuDNN（CUDA Deep Neural Network Library）：
   • cuDNN用于深度学习加速：cuDNN 是 NVIDIA 开发的专门用于深度学习的加速库。它提供了高度优化的卷积和其他深度神经网络层的操作，以提高深度学习模型的性能。
   • PyTorch依赖cuDNN：PyTorch 使用 cuDNN 来执行深度学习操作，尤其是在卷积神经网络（CNN）中。cuDNN 提供了高性能的卷积操作，使 PyTorch 能够在 GPU 上高效地进行前向传播和反向传播。
   • 版本兼容性：不同版本的 PyTorch 需要特定版本的 cuDNN。你需要确保所使用的 cuDNN 版本与 PyTorch 版本兼容。
3. PyTorch：
   • PyTorch是深度学习框架：PyTorch 是一个开源的深度学习框架，用于构建、训练和部署神经网络模型。它提供了张量操作、自动求导、优化器、损失函数等工具，使深度学习任务更加便捷。
   • PyTorch依赖CUDA和cuDNN：PyTorch 可以在 CPU 或 GPU 上运行，但为了获得最佳性能，特别是在大规模深度学习任务中，你通常会将 PyTorch 配置为在 GPU 上运行。这就需要确保 CUDA 和 cuDNN 已正确安装和配置。

显卡驱动

1. CUDA Toolkit 包含显卡驱动：
   • CUDA Toolkit 是一个由 NVIDIA 提供的开发工具包，其中包括了用于 CUDA 编程的库、编译器、工具和示例代码。而且，每个 CUDA Toolkit 版本都会附带特定版本的 NVIDIA 显卡驱动。
   • 这意味着，如果你安装了特定版本的 CUDA Toolkit，它将包括与该版本兼容的 NVIDIA 显卡驱动。这个驱动版本是为了保证 CUDA 和 GPU 的正常运行，因此需要与 CUDA Toolkit 版本匹配。
2. CUDA Toolkit和显卡驱动的兼容性：
   • 不同版本的 CUDA Toolkit 需要与特定版本的显卡驱动兼容，以确保 GPU 正常工作。如果 CUDA Toolkit 和显卡驱动版本不匹配，可能会导致问题，例如 CUDA 不可用或运行时错误。
   • 为了获得最佳性能和兼容性，你应该查看 NVIDIA 的官方文档，以了解哪个版本的 CUDA Toolkit 与哪个版本的显卡驱动兼容。通常，你可以在 NVIDIA 的官方网站上找到这些信息。

Pytorch版本

CUDA 和 PyTorch 之间存在版本依赖关系，这是因为 PyTorch 可以使用 CUDA 加速深度学习模型的训练和推理，需要与特定版本的 CUDA 兼容才能正常工作。以下是 CUDA 和 PyTorch 版本之间的关系：

1. CUDA 和 PyTorch 的版本兼容性：
   • 不同版本的 PyTorch 需要与特定版本的 CUDA 兼容，以确保能够利用 GPU 的计算能力。这是因为 PyTorch 使用 CUDA 来执行深度学习操作。
   • 在使用 PyTorch 之前，你应该查看 PyTorch 官方文档或 GitHub 仓库中的文档，以了解当前版本所支持的 CUDA 版本。通常，PyTorch 的文档会明确说明支持的 CUDA 版本范围。
2. 示例：
   • 例如，如果你使用的是 PyTorch 1.8.0，官方文档可能会明确指出支持 CUDA 11.1，因此你需要安装 CUDA 11.1 或兼容版本的 CUDA 驱动来与 PyTorch 1.8.0 一起使用。

总结

确定 PyTorch、CUDA 和显卡驱动的版本并确保它们兼容，可以按照以下步骤进行：

1. 确定显卡驱动版本：

   • 首先，你需要确定你的计算机上安装了哪个版本的 NVIDIA 显卡驱动。你可以使用以下方法来查看：

     • 在终端中执行 nvidia-smi 命令。这个命令会显示当前系统上的 NVIDIA 显卡驱动版本以及相关信息。

   • 记下显示的 NVIDIA 驱动版本号。例如，版本号可能类似于 465.19.01。

2. 确定 CUDA 版本：

   • 通常，NVIDIA 显卡驱动与 CUDA 版本一起安装。所以，你可以通过查看 CUDA 的版本来确定。

   • 在终端中执行以下命令来查看 CUDA 版本：

     nvcc --version
     

   • 记下显示的 CUDA 版本号。例如，版本号可能类似于 11.1。

3. 确定 PyTorch 版本：

   • 使用以下 Python 代码来查看 PyTorch 的版本：

     import torch
     print(torch.__version__)
     

   • 记下显示的 PyTorch 版本号。例如，版本号可能类似于 1.8.1。

4. 检查兼容性：

   • 一旦你确定了各个组件的版本号，你可以查阅 PyTorch 的官方文档，了解哪个版本的 PyTorch 与哪个版本的 CUDA 和显卡驱动兼容。通常，PyTorch 的文档会明确说明支持的 CUDA 版本范围。

   • 如果你的 PyTorch 版本与你的 CUDA 版本和显卡驱动版本不兼容，你可能需要升级或降级其中一个或多个组件，以确保它们能够良好地协同工作。

往往我们在实际项目时，起始首先确定的是PyTorch的版本，进而确定CUDA的版本，再根据CUDA的版本去查看自己平台的驱动是否支持。