CUDA系统学习之一软件堆栈架构

一、CPU与GPU体系架构

• 计算单元分布
  • CPU: 少量强大的ALU(算术逻辑单元)，通常4-8个核心
  • GPU: 大量小型ALU，成百上千个计算核心
  • 特点：GPU更适合并行计算，可以同时处理大量数据
• 控制单元(Control)
  • CPU: 较大的控制单元，复杂的控制逻辑
  • GPU: 较小的控制单元，多个计算单元共享一个控制单元
  • 特点：GPU牺牲了控制灵活性，换取更多计算资源
• 缓存(Cache)
  • CPU: 较大的缓存，多级缓存结构
  • GPU: 相对较小的缓存
  • 特点：GPU更依赖高带宽内存访问而不是缓存命中
• 内存(DRAM)
  • CPU: 通用内存架构，延迟优化
  • GPU: 高带宽内存架构，吞吐量优化
  • 特点：GPU的内存系统设计偏重带宽而非延迟

二、GPU编程软件堆栈

 1、CPU视角的执行流程：
Application代码
    ↓
调用CUDA API
    ↓
CUDA Runtime处理
    ↓
Driver与GPU通信
    ↓
向GPU发送指令

2、GPU视角：
接收指令 → 执行计算 → 返回结果

从系统架构上来看：

应用程序 (CPU)
    ↓
CUDA Runtime/Driver (CPU系统空间)
    ↓
PCIe总线通信
    ↓
GPU执行单元

所以看出CPU用于控制运行application，做复杂控制，GPU只用于大规模并行计算，GPU不能离开CPU单独使用，由CPU来统一管理系统资源，GPU专注计算任务。

3、用伪代码表述如下：

int main() {  // CPU上运行主程序
    // CPU管理GPU资源
    cudaSetDevice(0);
    // CPU分配内存
    float *d_data;
    cudaMalloc(&d_data, size);
    // CPU启动GPU计算
    kernel<<<grid, block>>>(d_data);
    // CPU等待GPU完成
    cudaDeviceSynchronize();
}

CUDA组件必须运行在CPU上，作为CPU和GPU之间的桥梁，管理和协调两种处理器的工作。这也是为什么图中将CUDA组件放在CPU框中的原因

三、现实中英伟达的软件与软件栈对应关系

 举个代码例子来理解这个框架：

# 当你运行一个PyTorch程序时
import torch
model = torch.nn.Linear(100, 10).cuda()
output = model(input_data)

# 实际发生了这些事：
1. PyTorch(应用层)调用cuDNN(Libraries层)的优化函数
2. cuDNN通过Runtime层申请GPU内存、创建计算流
3. Runtime层通过Driver层与GPU通信
4. Driver层发送指令给GPU执行计算
5. 结果通过层层返回到PyTorch

类比你要网购一件商品的过程：

应用层 → 你在手机App下单
Libraries层 → 购物平台的各种服务(支付/物流)
Runtime层 → 快递公司的调度系统
Driver层 → 快递员实际配送
硬件层 → 商品实际到达你手中

四、所以安装单机多卡容器化训练环境

1、基础系统层

# 推荐使用Ubuntu 20.04/22.04 LTS服务器版
sudo apt update && sudo apt upgrade

# 安装基础开发工具
sudo apt install -y build-essential cmake git curl wget software-properties-common

2、nVidia驱动层

# 添加NVIDIA驱动仓库
sudo add-apt-repository ppa:graphics-drivers/ppa

# 安装NVIDIA驱动(适用于A800的最新驱动，如535)
sudo apt install nvidia-driver-535

# 验证驱动安装
nvidia-smi

3、NVIDIA CUDA工具层

# 下载并安装CUDA工具包(以12.2为例)
wget https://developer.download.nvidia.com/compute/cuda/12.2.0/local_installers/cuda_12.2.0_525.60.13_linux.run
sudo sh cuda_12.2.0_525.60.13_linux.run

# 设置环境变量(添加到 ~/.bashrc)
export PATH=/usr/local/cuda-12.2/bin${PATH:+:${PATH}}
export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/cuda-12.2/lib64${LD_LIBRARY_PATH:+:${LD_LIBRARY_PATH}}

4、Docker环境层

# 安装Docker
curl -fsSL https://get.docker.com -o get-docker.sh
sudo sh get-docker.sh

# 安装NVIDIA Container Toolkit
distribution=$(. /etc/os-release;echo $ID$VERSION_ID)
curl -s -L https://nvidia.github.io/nvidia-docker/gpgkey | sudo apt-key add -
curl -s -L https://nvidia.github.io/nvidia-docker/$distribution/nvidia-docker.list | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/nvidia-docker.list

sudo apt update
sudo apt install -y nvidia-container-toolkit
sudo systemctl restart docker

# 验证Docker GPU支持
sudo docker run --gpus all nvidia/cuda:12.2.0-base-ubuntu20.04 nvidia-smi

5、深度学习环境层

# 拉取NVIDIA优化的PyTorch容器(以最新版为例)
sudo docker pull nvcr.io/nvidia/pytorch:23.10-py3

# 创建容器启动脚本 start_container.sh
cat << 'EOF' > start_container.sh
#!/bin/bash
docker run --gpus all -it --rm \
    --shm-size=1g \
    --ulimit memlock=-1 \
    --ulimit stack=67108864 \
    -v /path/to/your/data:/workspace/data \
    -v /path/to/your/code:/workspace/code \
    nvcr.io/nvidia/pytorch:23.10-py3
EOF
chmod +x start_container.sh

6、分布式训练配置

# 创建多卡训练启动脚本 launch_training.sh
cat << 'EOF' > launch_training.sh
#!/bin/bash
docker run --gpus all -it --rm \
    --shm-size=1g \
    --ulimit memlock=-1 \
    --ulimit stack=67108864 \
    --network=host \
    -v /path/to/your/data:/workspace/data \
    -v /path/to/your/code:/workspace/code \
    --env NCCL_DEBUG=INFO \
    --env NCCL_IB_DISABLE=0 \
    --env NCCL_IB_GID_INDEX=3 \
    --env NCCL_SOCKET_IFNAME=^docker0,lo \
    nvcr.io/nvidia/pytorch:23.10-py3
EOF
chmod +x launch_training.sh