深度学习|如何确定 CUDA+PyTorch 版本

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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。

「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。
「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。
「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。
「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。
「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。

「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。
「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。
「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。
「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。
「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。
「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。

「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。
「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。
「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。
「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。
「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。
「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。
「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。

「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。
「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。
「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

「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。
「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 ^[1]上找到这些信息。

Pytorch版本

CUDA 和 PyTorch^[2] 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：

「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。
「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：

「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。
「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。
「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。
「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。