tensorflowMINIST_0">tensorflow算子调用示例(MINIST)

本文以MINIST为例，阐述在模型训练时，tensorflow框架每个算子具体调用kernel的过程。

1. 数据准备和输入

在 MNIST 示例中，首先加载数据并进行预处理，生成用于训练和测试的数据集。这个步骤本身不涉及 GPU 加速，但数据会被加载到内存中，准备在计算图中进行后续操作。

python">import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.datasets import mnist# 加载 MNIST 数据集
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()
# 数据预处理
x_train, x_test = x_train / 255.0, x_test / 255.0

2. 构建模型

在 TensorFlow 中，神经网络的构建涉及多个算子，如矩阵乘法（MatMul）、卷积（Conv2D）、激活函数（如 ReLU）、以及用于分类任务的 Softmax。

python">model = tf.keras.models.Sequential([tf.keras.layers.Flatten(input_shape=(28, 28)),tf.keras.layers.Dense(128, activation='relu'),tf.keras.layers.Dropout(0.2),tf.keras.layers.Dense(10)
])

1.Flatten：

这是一个张量操作（Tensor Reshape），将 28x28 的图像展平为一维数组。

2.Dense (全连接层)：

这里主要使用了矩阵乘法算子 MatMul 和偏置项加法 BiasAdd，这些算子会被发送到 CUDA 设备上进行计算。如果使用 GPU，这些操作会被 TensorFlow 映射到相应的 CUDA 核函数。

在 TensorFlow 中，Dense 层的操作主要依赖于矩阵乘法和偏置项的加法。具体的核函数与这些操作相关。以下是每个操作对应的 CUDA 核函数的细节：
2.1.矩阵乘法 (MatMul) 的核函数:
对于 Dense 层中的矩阵乘法操作，TensorFlow 在 GPU 上通过 NVIDIA 提供的 cuBLAS 库执行该操作。具体的核函数根据数据类型的不同，通常是以下两个：

• cublasSgemm（用于单精度浮点数，float）
• cublasDgemm（用于双精度浮点数，double）

cublasSgemm 函数原型：

cublasStatus_t cublasSgemm(cublasHandle_t handle,cublasOperation_t transa,cublasOperation_t transb,int m,int n,int k,const float *alpha,  // 标量 alphaconst float *A,      // 输入矩阵 Aint lda,             // leading dimension of Aconst float *B,      // 输入矩阵 Bint ldb,             // leading dimension of Bconst float *beta,   // 标量 betafloat *C,            // 输出矩阵 Cint ldc              // leading dimension of C
);

cublasDgemm 函数原型：

cublasStatus_t cublasDgemm(cublasHandle_t handle,cublasOperation_t transa,cublasOperation_t transb,int m,int n,int k,const double *alpha,  // 标量 alphaconst double *A,      // 输入矩阵 Aint lda,              // leading dimension of Aconst double *B,      // 输入矩阵 Bint ldb,              // leading dimension of Bconst double *beta,   // 标量 betadouble *C,            // 输出矩阵 Cint ldc               // leading dimension of C
);

2.2偏置项加法 (BiasAdd) 的核函数:
对于 BiasAdd 操作，TensorFlow 在 GPU 上使用的是自定义的 CUDA 核函数。这些核函数负责将偏置项加到矩阵的每一行或列上，通常涉及到张量广播操作。

BiasAdd 核函数原型：

在 TensorFlow 的源代码中，BiasAdd 通常是通过名为 BiasAddKernel 的自定义 CUDA 核来实现的。在反向传播过程中，偏置项的梯度计算会调用 BiasGradKernel。

由于这是自定义实现的 CUDA 核函数，源代码可以在 TensorFlow 的 GitHub 仓库中找到。以下是一个简化的自定义核函数实现示例，用于在 GPU 上执行 BiasAdd 操作：

template <typename T>
__global__ void BiasAddKernel(const T* input, const T* bias, T* output, int num_rows, int num_cols) {int row = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;if (row < num_rows) {for (int col = 0; col < num_cols; ++col) {output[row * num_cols + col] = input[row * num_cols + col] + bias[col];}}
}

该核函数的主要功能是遍历输入矩阵的每一行，并将偏置项加到每个元素上。每个线程处理一行矩阵中的元素，通过并行化来提升计算效率。

2.3反向传播的核函数

在反向传播中，计算权重和偏置项的梯度同样需要矩阵运算和累加操作。

• 权重梯度的计算 依然会使用 cuBLAS 中的 cublasSgemm 或 cublasDgemm，这是通过反向传播的梯度和输入数据的矩阵乘法来计算权重的更新。
• 偏置项梯度的计算 通常是一个简单的张量求和操作，这可以通过自定义的 CUDA 核函数来高效实现，典型实现如下：

template <typename T>
__global__ void BiasGradKernel(const T* grad_output, T* bias_grad, int num_rows, int num_cols) {int col = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;if (col < num_cols) {T sum = 0;for (int row = 0; row < num_rows; ++row) {sum += grad_output[row * num_cols + col];}bias_grad[col] = sum;}
}

该核函数遍历反向传播的梯度输出，并在每一列上累加梯度，得到偏置项的梯度。

2.4CUDA 流管理

为了管理异步操作，TensorFlow 会使用 CUDA 流（stream）来并行执行多个核函数。这允许 MatMul、BiasAdd 和反向传播操作同时进行，而不会阻塞 CPU。

CUDA__131">CUDA 流管理函数：

• cudaStreamCreate：创建一个 CUDA 流，允许异步操作。
• cudaStreamSynchronize：等待流中的所有操作完成。
• cudaLaunchKernel：将核函数提交到 CUDA 流中，执行并行操作。

3.Dropout：

虽然 Dropout 是一种正则化技术，但其操作（如随机丢弃部分神经元）也会利用 CUDA 进行高效的矩阵运算。

• ReLU (激活函数)：激活函数使用的是 tf.nn.relu 算子。这个算子将被映射到 CUDA 核来加速 ReLU 操作，特别是在大规模的矩阵计算中。

__global__ void DropoutKernel(float* input, float* output, float* mask, float keep_prob, int size) {int idx = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;if (idx < size) {// mask 生成，利用 GPU 生成随机数if (mask[idx] < keep_prob) {// 保留神经元并缩放输出值output[idx] = input[idx] / keep_prob;} else {// 丢弃神经元output[idx] = 0.0f;}}
}

input：输入张量，是神经网络前一层的输出。
output：经过 Dropout 处理后的输出张量。
mask：随机生成的掩码矩阵，包含 0 和 1。
keep_prob：神经元保留的概率。
size：神经元的数量（即输入张量的大小）。

3. 前向传播与反向传播

在训练过程中，TensorFlow 中的计算图会负责前向传播（计算损失）和反向传播（计算梯度并更新权重）。这涉及大量的矩阵运算、卷积操作以及求导计算。

以矩阵乘法 (MatMul) 为例，当在训练中进行矩阵计算时，TensorFlow 会将计算任务调度到 GPU 上。对于每个算子，TensorFlow 调用相应的 CUDA 核函数，利用 GPU 的并行计算能力进行加速。例如，tf.matmul 在底层会映射到对应的 CUDA 核函数，用以处理大规模的矩阵运算。

python">
loss_fn = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True)

这里的 SparseCategoricalCrossentropy 损失函数涉及Softmax 操作和交叉熵的计算，也会映射到 CUDA 核进行加速。
softmax核函数示例：

__global__ void SoftmaxKernel(float* logits, float* output, int n) {int idx = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;if (idx < n) {float max_logit = -FLT_MAX;float sum = 0.0f;// 找到最大值，避免指数溢出for (int i = 0; i < n; i++) {max_logit = max(max_logit, logits[i]);}// 计算 Softmaxfor (int i = 0; i < n; i++) {sum += expf(logits[i] - max_logit);}for (int i = 0; i < n; i++) {output[i] = expf(logits[i] - max_logit) / sum;}}
}

交叉熵核函数示例：

__global__ void CrossEntropyKernel(float* softmax_output, int* labels, float* loss, int n) {int idx = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;if (idx < n) {int true_label = labels[idx];float p_true = softmax_output[true_label];loss[idx] = -logf(p_true);}
}

加速过程

• Softmax 加速：通过 CUDA 内核并行化计算每个 logits 的指数值和总和，并高效实现归约操作。
• 交叉熵加速：使用并行化计算 Softmax 输出中对应真实标签的概率，并计算其对数作为交叉熵损失。
• 整体加速：TensorFlow 中 SparseCategoricalCrossentropy 损失函数的实现会将 Softmax 和交叉熵的计算结合在一起，通过 CUDA 内核融合和高效的内存访问来加速整个过程。

4. 训练优化

TensorFlow 的优化器（例如 SGD、Adam 等）会使用反向传播算法来更新模型的参数。这一过程涉及对权重的矩阵求导和更新，这些操作会通过 CUDA 的矩阵运算加速库（例如 cuBLAS、cuDNN）来实现。

python">model.compile(optimizer='adam', loss=loss_fn, metrics=['accuracy'])
model.fit(x_train, y_train, epochs=5)

在 model.fit 的过程中，TensorFlow 会自动将支持 CUDA 的算子交给 GPU 执行。例如：

• cuBLAS：用于加速矩阵乘法、矩阵求逆等基本线性代数运算。
• cuDNN：用于加速卷积操作，特别是涉及到卷积神经网络的训练时，tf.nn.conv2d 操作会调用 cuDNN 的加速函数来计算。

5. 设备分配与张量操作

在执行时，TensorFlow 会自动将计算图中的操作分配到可用的设备上。如果检测到有 GPU 可用，TensorFlow 会将支持 CUDA 的算子分配到 GPU 上。

python"># 检查 TensorFlow 是否使用 GPU
print("GPU Available: ", tf.config.list_physical_devices('GPU'))

TensorFlow 使用其底层的 Placer 机制来自动选择设备，并将计算任务调度到 GPU。如果使用 CUDA，它会调用对应的 CUDA 内核来执行张量操作，如卷积、矩阵乘法和激活函数。

CUDA__237">6. 推理时的 CUDA 使用

在训练完成后，推理过程也会涉及到类似的操作，TensorFlow 会继续利用 CUDA 来加速前向传播中的计算。

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Reference:

1. https://www.tensorflow.org/guide/gpu

2. https://docs.nvidia.com/cuda/

3. https://www.tensorflow.org/install/gpu

4. https://docs.nvidia.com/cuda/cublas/index.html

5. https://developer.nvidia.com/cudnn