英偉達CUDA壟斷地位難保：PyTorch不斷拆塔，OpenAI已在偷家

詹士 Alex 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

英偉達的軟件護城河正在逐漸消失。

隨著PyTorch支持更多GPU廠商，再加上OpenAI的Triton攪局，英偉達手中的利器CUDA?逐漸鋒芒不再。

上述觀點來自Semi Analysis首席分析師Dylan Patel，相關文章已引發(fā)一波業(yè)內關注。

有網友看后評價：

英偉達淪落到此種境地，只因為了眼前利益，放棄創(chuàng)新。

Pytorch的作者之一Sasank Chilamkurthy還補刀：

當英偉達之前提出要收購Arm時，我就對潛在的壟斷感到非常不安。所以我開始做任何正常人都會做的事：讓CUDA從的領先AI框架中被除名。

下面展開談一談Patel提到的這些背后原因。

PyTorch成AI開發(fā)框架贏家，將支持更多GPU

這里先來簡單說說CUDA昔日的輝煌故事。

CUDA是英偉達推出的并行計算框架。

CUDA之于英偉達，可謂歷史的轉折點，它的出現(xiàn)，讓英偉達在AI芯片領域快速起飛。

在CUDA之前，英偉達的GPU只是一個負責在屏幕上繪制圖像的“圖形處理單元”。

而CUDA不僅可以調用GPU計算，還可以調用GPU硬件加速，讓GPU擁有了解決復雜計算問題的能力，可以幫助客戶為不同的任務對處理器進行編程。

除了常見的PC機，無人車、機器人、超級計算機、VR頭盔等多種熱門的設備都有GPU；而在很長一段時間內，只有英偉達的GPU，才能快速處理各種復雜的AI任務。

那么風光無限的CUDA，后來怎么就地位不穩(wěn)了？

這還得從AI開發(fā)框架之爭聊起，尤其是PyTorch VS TensorFlow。

如果把PyTorch這些框架比做車，那CUDA就是變速箱——它可以加速機器學習框架的計算過程，當在英偉達GPU上運行PyTorch等時，可以更快地訓練、運行深度學習模型。

TensorFlow發(fā)育早，也是谷歌門下利器，但奈何近兩年其勢頭逐漸被PyTorch超越。幾大頂會上，PyTorch框架使用的比例也明顯上漲：

還有TensorFlow深度使用者現(xiàn)身說法：“現(xiàn)在我改用PyTorch了?！?/p>

PyTorch能勝出，一個關鍵因素在于它比TensorFlow更靈活易用。

這一方面得益于PyTorch的eager模式，支持在C++運行環(huán)境下修改模型，還可以立即看到每一步操作的結果。雖然TensorFlow現(xiàn)在也有eager模式，但大多數(shù)大型科技公司已經在圍繞著PyTorch開發(fā)解決方案。（扎心了……）

另一方面，雖然用這二者都寫Python，但用的PyTorch的舒適度更勝一籌。

此外，PyTorch可用的模型更多，生態(tài)更豐富，據(jù)統(tǒng)計，在HuggingFace中，85%的大模型都是用PyTorch框架實現(xiàn)的。

過去，雖然各大AI開發(fā)框架之間打得火熱，但更底層的并行計算架構CUDA可算獨霸一方。

但時過境遷，在AI框架的角逐中，PyTorch最終贏過此前領跑的TensorFlow，地位暫時穩(wěn)了，然后就開始搞事情。

近些年PyTorch在拓展支持更多GPU，即將發(fā)布的PyTorch2.0首個穩(wěn)定版也會對其他各家GPU和加速器支持進行完善，包括AMD、英特爾、特斯拉、谷歌、亞馬遜、微軟、Meta等等。

也就是說，英偉達GPU不再是那個唯一了

不過這背后其實也還有CUDA自身的問題。

內存墻是個問題

前面提到，CUDA崛起與機器學習浪潮彼此促進，共贏生長，但有個現(xiàn)象值得關注：

近些年，領頭羊英偉達硬件的FLOPS不斷提高，但其內存提升卻十分有限。以2018年訓練BERT的V100為例，作為最先進GPU，其在FLOPS上增長一個數(shù)量級，但內存增加并不多。

在實際AI模型訓練中，隨著模型越來越大，內存需求也越來越大。

比如百度和Meta，在部署生產推薦網絡時，需要數(shù)十TB內存來存儲海量的embedding table。

放訓練及推理中，大量時間實際上并未花在矩陣乘法計算上，而是在等待數(shù)據(jù)到達計算資源。

那為什么不搞更多內存？

簡而言之，鈔能力不足。

一般來說，內存系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)使用需求，遵照從“又近又快”到“又慢又便宜”的結構安排資源。通常，最近的共享內存池在同一塊芯片上，一般由SRAM構成。

在機器學習中，一些ASIC試圖用一個巨大的SRAM來保存模型權重，這種方法遇到動輒100B+的模型權重就不夠了。畢竟，即便是價值約500萬美元的晶圓級芯片，也只有40GB的SRAM空間。

放英偉達的GPU上，內存就更小了：A100僅40MB，下一代的H100是50MB，要按量產產品價格算，對于一塊芯片每GB的SRAM內存成本高達100美元。

賬還沒算完。目前來說，片上SRAM成本并沒隨摩爾定律工藝提升而大幅降低，若采用臺積電下一代3nm制程工藝，同樣的1GB，反而成本更高。

相比SRAM，DRAM倒是成本低很多，但延遲高一個數(shù)量級，且2012年來DRAM的成本也幾乎沒有明顯壓降。

隨著AI繼續(xù)向前發(fā)展，對內存的需求，還會增加，內存墻問題就是這么誕生的。

目前DRAM已占服務器總成本的50%。比如英偉達2016年的P100，比起最新的H100，F(xiàn)B16性能提升46倍，但內存容量只增加了5倍。

另一個問題也與內存有關，即帶寬。

計算過程中，增加內存帶寬是通過并行性獲得的，為此，英偉達使用了HBM內存（High Bandwidth Memor），這是一種3D堆疊的DRAM層組成的結構，封裝更貴，讓經費樸實的使用者們只能干瞪眼。

前面提到，PyTorch的一大優(yōu)勢在于：Eager模式讓AI訓練推理更靈活易用。但其內存帶寬需求量也十分肥碩。

算子融合，即解決上述問題的主要方法。其要義在于“融合”，不將每個中間計算結果寫入內存，而是一次傳遞，計算多個函數(shù)，這樣就將內存讀寫量變少。

要落地“算子融合”，要編寫自定義CUDA內核，要用到C++語言。

這時CUDA的劣勢就顯現(xiàn)出來了：比起寫Python腳本，編寫CUDA之于很多人真是難太多了……

相比下，PyTorch 2.0工具就能大幅降低這個門檻。其內置英偉達和外部庫，無需專門學習CUDA，直接用PyTorch就能增加運算符，對煉丹師們來說，自然友好很多。

當然，這也導致PyTorch在近些年大量增加運算符，一度超過2000個（手動狗頭）。

2022年末，剛發(fā)布的升級款PyTorch2.0更是大舉發(fā)力，瞄準編譯。

因添加了一個面向圖像執(zhí)行模型的編譯解決方案，該框架在A100上訓練性能提升86%，CPU推理性能也提升26%。

此外，PyTorch 2.0依靠PrimTorch技術，將原來2000多個算子縮到250個，讓更多非英偉達的后端更易于訪問；還采用了TorchInductor技術，可為多個加速器和后端自動生成快速代碼。

而且PyTorch2.0還能更好支持數(shù)據(jù)并行、分片、管道并行和張量并行，讓分布式訓練更絲滑。

正是上述技術，再結合對英偉達之外廠商GPU和加速器的支持，原先CUDA為英偉達構筑的軟件城墻就顯得沒那么高不可攀了。

身后還有替代者

這邊英偉達自身內存提升速度沒跟上，那邊還有PyTorch2.0搞事，但還沒完——

Open AI推出了個“簡化版CUDA”：Triton。（直接偷家）

Triton是種新的語言和編譯器。它的操作難度比CUDA低，但性能卻可與后者媲美。

OpenAI聲稱：

Triton只要25行代碼，就能在FP16矩陣乘法上達到與cuBLAS相當?shù)男阅堋?/p>

OpenAI的研究人員已經使用Triton，生成了比同等Torch效率高出1倍的內核。

雖然Triton目前只正式支持英偉達GPU，但之后這個架構也會支持多家硬件供應商。

還有值得一提的是，Triton是開源的，比起閉源的CUDA，其他硬件加速器能直接集成到Triton中，大大減少了為新硬件建立AI編譯器棧的時間。

不過話說回來，也有人覺得CUDA的壟斷地位還遠不算被打破。比如PyTorch的另一位作者、Meta杰出工程師Soumith Chintala就覺得：

（分析師Patel寫的）這篇文章夸大了現(xiàn)實，CUDA將繼續(xù)是PyTorch依賴的關鍵架構。

Triton并不是第一個（優(yōu)化）編譯器，目前大多數(shù)還是把注意力放在XLA編譯器上面的。

他表示，現(xiàn)在尚不清楚Triton是否會慢慢被大家接受，這還得靠時間來驗證。總之，Triton并沒有對CUDA構成太大威脅。

文章作者Patel本人也看到了這條評論，然后回復稱：

我可沒說（CUDA的壟斷地位）已經沒了（Broken），而是說正在退步（Breaking）。

而且目前Triton還只正式支持英偉達GPU（沒在別的GPU測試性能），如果XLA在英偉達GPU上的表現(xiàn)不占優(yōu)勢，那它恐怕不如Triton。

但Soumith Chintala反駁道，就算說CUDA的地位正在下滑也不妥。因為Triton要在硬件上推廣的話，還有很多風險，還有很長的路要走。

有網友和這位PyTorch作者站在同一邊：

我也希望壟斷被打破，但目前CUDA還是最頂?shù)?，沒了它，很多人構建的軟件和系統(tǒng)根本玩不轉。

那么，你覺得現(xiàn)在CUDA境況如何？

參考鏈接：
[1]https://www.semianalysis.com/p/nvidiaopenaitritonpytorch
[2]https://analyticsindiamag.com/how-is-openais-triton-different-from-nvidia-cuda/
[3]https://pytorch.org/features/
[4]https://news.ycombinator.com/item?id=34398791
[5]https://twitter.com/soumithchintala/status/1615371866503352321
[6]https://twitter.com/sasank51/status/1615065801639489539