فناوری‌های مرتبط با سخت‌افزار و نرم‌افزار

شتاب‌دهی پردازنده گرافیکی برای علم داده

بازدید: 239 آخرین به‌روزرسانی: 30 بهمن 1403

مقدمه

شتاب‌دهی GPU (واحد پردازش گرافیکی) به یکی از فناوری‌های کلیدی در علم داده (Data Science) تبدیل شده است. با افزایش حجم داده‌ها و پیچیدگی مدل‌های یادگیری ماشین، نیاز به پردازش سریع‌تر و کارآمدتر بیش از پیش احساس می‌شود. پردازنده‌های گرافیکی با توانایی پردازش موازی خود، می‌توانند زمان اجرای محاسبات سنگین را به طور چشمگیری کاهش دهند و به دانشمندان داده این امکان را بدهند که مدل‌های پیچیده‌تر را در زمان کم‌تری آموزش دهند.

در این مقاله، ما به بررسی چگونگی شروع کار با شتاب‌دهی پردازنده گرافیکی برای علم داده می‌پردازیم. از مزایای استفاده از پردازنده گرافیکی گرفته تا ابزارها و کتابخانه‌هایی که می‌توانند به شما در این مسیر کمک کنند، همه را به طور کامل پوشش خواهیم داد.

چرا از پردازنده گرافیکی برای علم داده استفاده کنیم؟

سرعت بالاتر: پردازنده‌های گرافیکی به دلیل داشتن هزاران هسته پردازشی کوچک، توانایی انجام هزاران عملیات محاسباتی را به طور همزمان دارند. این ویژگی باعث می‌شود عملیات‌هایی مانند ضرب ماتریس‌ها، که در یادگیری ماشین و شبکه‌های عصبی بسیار رایج هستند، با سرعت بسیار بالاتری نسبت به پردازنده‌های مرکزی (CPU) انجام شوند. برای مثال، آموزش یک مدل یادگیری عمیق که روی پردازنده مرکزی ممکن است ساعت‌ها یا حتی روزها طول بکشد، با استفاده از پردازنده گرافیکی می‌تواند در عرض چند دقیقه یا چند ساعت انجام شود.

مقیاس‌پذیری: با افزایش حجم داده‌ها و پیچیدگی مدل‌ها، نیاز به منابع محاسباتی قدرتمند بیشتر احساس می‌شود. پردازنده‌های گرافیکی این امکان را فراهم می‌کنند که مدل‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تری را آموزش دهید و داده‌های بیشتری را پردازش کنید. برای مثال، در پروژه‌هایی مانند پردازش زبان طبیعی (NLP) یا بینایی کامپیوتر (Computer Vision)، که نیاز به پردازش حجم عظیمی از داده‌ها دارند، پردازنده‌های گرافیکی می‌توانند به طور چشمگیری زمان پردازش را کاهش دهند.

پیشنهاد می‌شود مقاله‌های بینایی کامپیوتر و پردازش زبان طبیعی را از وبلاگ ابررایانه سیمرغ بخوانید.

کارایی انرژی: پردازنده‌های گرافیکی در مقایسه با پردازنده‌های مرکزی، انرژی کم‌تری برای انجام محاسبات سنگین مصرف می‌کنند. این موضوع نه تنها از نظر اقتصادی به صرفه‌تر است، بلکه برای محیط زیست نیز مفید است. با استفاده از پردازنده‌های گرافیکی، می‌توانید محاسبات سنگین را با مصرف انرژی کم‌تری انجام دهید و در عین حال، بهره‌وری خود را افزایش دهید.

ابزارها و کتابخانه‌های مورد نیاز

برای شروع کار با شتاب‌دهی پردازنده گرافیکی، نیاز به ابزارها و کتابخانه‌هایی دارید که از پردازنده گرافیکی پشتیبانی می‌کنند. برخی از این ابزارها عبارتند از:

CUDA: یک پلتفرم محاسبات موازی است که توسط شرکت NVIDIA توسعه داده شده است. این پلتفرم به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا از قدرت پردازنده‌های گرافیکی برای انجام محاسبات عمومی استفاده کنند. CUDA با ارائه یک رابط برنامه‌نویسی (API)، امکان نوشتن کدهایی را فراهم می‌کند که مستقیماً روی پردازنده گرافیکی اجرا می‌شوند. این ابزار برای انجام عملیات‌های سنگین ریاضی و محاسبات ماتریسی بسیار مناسب است.

cuDNN: یک کتابخانه بهینه‌شده برای شبکه‌های عصبی عمیق است که توسط NVIDIA توسعه داده شده است. این کتابخانه شامل توابعی است که برای انجام عملیات‌های رایج در یادگیری عمیق، مانند کانولوشن، فعال‌سازی‌ها و بهینه‌سازی‌ها، استفاده شده‌اند. استفاده از cuDNN می‌تواند سرعت آموزش مدل‌های یادگیری عمیق را به طور چشمگیری افزایش دهد.

TensorFlow و PyTorch: این دو چارچوب محبوب یادگیری ماشین هستند که از شتاب‌دهی پردازنده گرافیکی پشتیبانی می‌کنند. این چارچوب‌ها به شما امکان می‌دهند مدل‌های یادگیری عمیق را به راحتی طراحی و آموزش دهید. با استفاده از پردازنده گرافیکی، می‌توانید زمان آموزش مدل‌ها را به طور قابل توجهی کاهش دهید. برای مثال، TensorFlow از کتابخانه CUDA برای اجرای عملیات‌های محاسباتی روی GPU استفاده می‌کند.

برای آشنایی بیشتر با تنسورفلو اینجا کلیک کنید.

RAPIDS: یک مجموعه از کتابخانه‌های متن‌باز است که برای علم داده و تحلیل داده‌ها بر روی پردازنده گرافیکی طراحی شده‌اند. این کتابخانه‌ها شامل ابزارهایی برای پردازش داده‌ها، یادگیری ماشین و تحلیل‌های آماری هستند. RAPIDS از CUDA برای اجرای عملیات‌های خود استفاده می‌کند و به شما امکان می‌دهد تا کارهای سنگین داده‌محور را با سرعت بالاتری انجام دهید.

مراحل شروع کار با شتاب‌دهی پردازنده گرافیکی

انتخاب سخت‌افزار مناسب: ابتدا باید یک پردازنده گرافیکی سازگار با نیازهای خود انتخاب کنید. پردازنده‌های گرافیکی NVIDIA مانند سری Tesla، Quadro و GeForce از جمله گزینه‌های محبوب هستند.

نصب درایورها و ابزارهای لازم: پس از انتخاب سخت‌افزار، باید درایورهای مناسب پردازنده گرافیکی و ابزارهایی مانند CUDA و cuDNN را نصب کنید.

پیکربندی محیط توسعه: اطمینان حاصل کنید که محیط توسعه شما
(مانند Python و کتابخانه‌های مرتبط) به درستی پیکربندی شده‌اند تا از پردازنده گرافیکی استفاده کنند.

اجرای کدهای نمونه: با اجرای کدهای نمونه، می‌توانید مطمئن شوید که همه چیز به درستی کار می‌کند.

بهینه‌سازی کد: پس از اجرای موفقیت‌آمیز کدها، می‌توانید به بهینه‌سازی کدهای خود برای استفاده حداکثری از قدرت پردازنده گرافیکی بپردازید.

ابررایانه سیمرغ: زیرساختی قدرتمند برای پردازش‌های علمی

ابررایانه سیمرغ، به‌عنوان یکی از پیشرفته‌ترین زیرساخت‌های پردازشی در ایران، امکانات بی‌نظیری را برای پژوهشگران و دانشمندان داده فراهم می‌کند. این ابررایانه با بهره‌گیری از پردازنده‌های گرافیکی قدرتمندی مانند NVIDIA A100 با ۴۰ گیگابایت حافظه گرافیکی، NVIDIA Tesla V100S با ۳۲ گیگابایت حافظه گرافیکی و GeForce RTX 3090 با ۲۴ گیگابایت حافظه گرافیکی، امکان اجرای محاسبات پیچیده و آموزش مدل‌های یادگیری ماشین را با سرعت و دقت بالا فراهم می‌کند.

برای آشنایی با خدمات پردازشگرهای گرافیکی ابررایانه سیمرغ اینجا کلیک کنید.

علاوه بر این، سیمرغ با ارائه سرویس‌های متنوعی مانند پردازشگر گرافیکی (GPU as a Service)، هوش مصنوعی (AI as a Service) و سکوی تحلیل کلان داده (BD Platform as a Service)، نیازهای مختلف کاربران در حوزه‌های پردازش فوق سریع، هوش مصنوعی و تحلیل داده‌های حجیم را پوشش می‌دهد. تمامی خدمات دارای پردازشگر گرافیکی ابررایانه سیمرغ با درایور، کودا و cuDNN نصب شده ارائه می‌شوند.

جمع‌بندی

شتاب‌دهی پردازنده گرافیکی یک فناوری قدرتمند است که می‌تواند تحول بزرگی در علم داده ایجاد کند. با استفاده از پردازنده گرافیکی، می‌توانید مدل‌های پیچیده‌تر را در زمان کم‌تری آموزش دهید و داده‌های بیشتری را پردازش کنید. در این مقاله، مراحل شروع کار با شتاب‌دهی پردازنده گرافیکی و ابزارهای مورد نیاز برای این کار را بررسی کردیم. امیدواریم که این اطلاعات به شما در شروع کار با پردازنده گرافیکی برای علم داده کمک کند.