cuda从入门到精通（五）CUDA实现AI模型中的softmax

本文系转载，出处：https://mp.weixin.qq.com/s/BbmjiE_qemmnlTC3ue2wiw

CUDA常被用于加速各种AI计算密集型任务，如Softmax函数的计算。

以下是一个简单的CUDA实现的Softmax函数

#include <cuda_runtime.h>
#include <device_launch_parameters.h>
#include <cmath>

__global__ void softmax(float* input, float* output, int size)

{

    int index = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;

    if (index < size)

    {

        float max_val = input[index];
        for (int i = 0; i < size; i++)
        {
            max_val = fmax(max_val, input[i]);

        }
        float sum = 0.0f;
        for (int i = 0; i < size; i++)
        {
           sum += exp(input[i] - max_val);
        }
        output[index] = exp(input[index] - max_val) / sum;
    }
}


// Host code to invoke the kernel

void softmax_wrapper(float* h_input, float* h_output, int size)

{
    float* d_input, *d_output;
    cudaMalloc((void**)&d_input, size * sizeof(float));
    cudaMalloc((void**)&d_output, size * sizeof(float));
    cudaMemcpy(d_input, h_input, size * sizeof(float), cudaMemcpyHostToDevice);
    int blockSize = 256;
    int gridSize = (size + blockSize - 1) / blockSize;
    softmax<<<gridSize, blockSize>>>(d_input, d_output, size);
    cudaMemcpy(h_output, d_output, size * sizeof(float), cudaMemcpyDeviceToHost);
    cudaFree(d_input);
    cudaFree(d_output);
}

关于CUDA实现Softmax函数的优化建议和技巧：
并行化：尽可能将计算任务并行化。在上述示例中，我们使用了CUDA的线程模型，每个线程处理一个输入元素。

避免数值溢出：在计算指数函数时，数值可能会溢出。为了避免这种情况，我们可以从每个输入值中减去最大值，这样可以确保所有的输入值都在可接受的范围内。

内存优化：尽可能地减少内存的使用。例如，在上述示例中，我们在GPU上分配了额外的内存来存储输入和输出的副本。如果可能的话，尝试重用内存或直接在GPU上处理数据。

减少全局内存访问：全局内存访问在GPU上是非常昂贵的。在上述示例中，每个线程都需要读取整个输入数组。如果可能的话，尝试将更多的数据存储在共享内存中，这样线程可以更快地访问它们。

优化数值稳定性：在计算softmax时，由于涉及到指数运算，数值稳定性可能会成为一个问题。为了避免下溢和上溢，可以考虑使用对数softmax或者缩放softmax。

硬件优化：了解你正在使用的硬件的特性，并根据这些特性进行优化。例如，不同的GPU可能有不同的内存带宽和计算能力，这可能会影响你的代码的性能。

使用CUDA库：NVIDIA提供了许多CUDA库，如cuBLAS和cuDNN，这些库为许多常见的线性代数运算提供了高效的实现。如果你的应用需要执行大量的线性代数运算，考虑使用这些库可能会带来性能提升。
这些只是优化CUDA代码的一些基本建议，具体的优化策略可能会根据你的应用和硬件的特性而有所不同。