在 Python 裡面使用 GPU 3 – 開發 GPU 程式

這篇文章整理我在開發 Python GPU 程式時的關鍵觀念：GPU 與 CPU 運算的本質差異、如何在 TensorFlow 中用 `tf.device` 指定運算裝置、為什麼要避免資料頻繁地在 CPU 與 GPU 之間轉換，以及讓 GPU 發揮最大效益的實務做法。

GPU 運算與 CPU 運算有什麼不同？

以下是 GPU 和 CPU 之間的幾個主要區別：

運算單元：GPU 通常具有數百甚至數千個運算單元，而 CPU 通常只有幾十個運算單元。
並行運算能力：由於 GPU 具有更多的運算單元，它能夠同時處理更多的數據，因此在並行運算方面具有優勢。
計算能力：在單位時間內，GPU 的計算能力通常要高於 CPU。
功耗：由於 GPU 具有更多的運算單元，它的功耗通常比 CPU 高。
用途：GPU 專門用於圖形處理，通常用於遊戲、視頻播放和圖形設計等任務；CPU 則是計算機的中央處理器，負責處理各種計算任務。

對深度學習來說，模型訓練大部分是大量的矩陣運算，正好是 GPU 並行架構最擅長的工作，這也是為什麼 GPU 訓練速度可以比 CPU 快上好幾倍。

如何在 TensorFlow 中指定使用 GPU？

在程式中使用 GPU 時，需要在執行模型訓練或推理時將運算放在 GPU 上。可以使用 TensorFlow 的 `tf.device` 函數指定運算的裝置，例如將運算放在第一個可用的 GPU 上：

```py

with tf.device('/gpu:0'):

pass

```

另外，也要注意 GPU 記憶體使用量。當模型變得越大，可能需要更多的 GPU 記憶體。可以使用 TensorFlow 的 `tf.config.experimental.set_virtual_device_configuration` 函數設定虛擬裝置配置，指定可用 GPU 的記憶體數量。

開發 GPU 程式最大的不同是什麼？

對開發人員而言，最大的不同就是：GPU 運算需要將資料載入 GPU 裡面，而當資料在 GPU 裡面時，我們沒辦法像資料在 CPU 上時那樣，很方便地使用 `print` 來查看內容。

也因此，針對支援 GPU 的陣列運算庫，通常在做陣列運算時會呼叫相關的方法去做運算，例如：

另外在載入資料時，也要注意使用既有可使用 GPU 載入資料的函數載入資料至正確的 GPU 上（例如 `tf.data`），避免資料頻繁地在 GPU 和 CPU 之間轉換。

如何避免資料頻繁地在 GPU 和 CPU 之間轉換？

要避免資料頻繁地在 GPU 和 CPU 之間轉換，可以考慮以下幾點：

將資料放在 GPU 上：使用 `tf.device` 函數指定資料所在的裝置。
將運算和資料放在同一個 GPU 上：這樣可以避免資料在 GPU 和 CPU 之間頻繁轉換。
使用高效的數據讀取方式：使用 TensorFlow 的數據讀取功能（例如 `tf.data`）可以更有效地讀取和轉換數據，並減少磁碟 I/O 的負擔。

資料在裝置之間搬移是 GPU 程式最常見的效能殺手之一——每一次轉換都有固定的傳輸成本，資料量越大、轉換越頻繁，訓練速度就被拖得越慢。

如何更高效地使用 GPU？

將運算放在 GPU 上：使用 `tf.device` 函數指定運算的裝置。
設定虛擬裝置配置：使用 `tf.config.experimental.set_virtual_device_configuration` 函數指定可用 GPU 的記憶體數量。
使用數據平行：將模型的數據分成多個 batch 並同時在多個 GPU 上訓練，可以提升訓練速度。可以使用 TensorFlow 的 `tf.distribute.Strategy` API 來實現數據平行。
調整 batch size：適當調整 batch size 可以平衡訓練速度和 GPU 記憶體使用量。

如何讓 TensorFlow 自動最佳化使用 GPU？

TensorFlow 可以自動偵測可用的 GPU，並將運算自動分配到 GPU 上。要讓 TensorFlow 自動最佳化使用 GPU，你需要：

安裝 NVIDIA 驅動程式和 CUDA Toolkit。
安裝 GPU 版本的 TensorFlow。

在安裝 NVIDIA 驅動程式和 CUDA Toolkit 時，請確保安裝適用於你的 GPU 的版本，可以在 NVIDIA 網站上查看可用驅動程式的列表。

安裝 GPU 版本的 TensorFlow 時，需要使用 `tensorflow-gpu` 套件，可以用 pip 安裝：

```py

pip install tensorflow-gpu

```

安裝完成後，TensorFlow 就會自動偵測可用的 GPU，並將運算自動分配到 GPU 上，不需要在程式中手動指定運算的裝置。

注意：如果你的系統中沒有可用的 GPU，TensorFlow 會使用 CPU。

常見問題

Q為什麼 GPU 訓練模型比 CPU 快？

GPU 擁有數百甚至數千個運算單元，能夠同時處理大量數據；深度學習的矩陣運算正好是高度並行的工作，因此在單位時間內 GPU 的計算能力通常遠高於 CPU。

Q如何指定 TensorFlow 使用哪一張 GPU？

使用 `tf.device('/gpu:0')` 可以把運算指定到第一張 GPU。也可以搭配 `tf.config.experimental.set_virtual_device_configuration` 限制每張 GPU 可用的記憶體數量。

Q資料為什麼不能一直印出來看？

當資料被載入 GPU 後，就無法像 CPU 上的資料一樣直接用 `print` 查看內容。除錯時需要把資料搬回 CPU，或使用框架提供的除錯工具，這是開發 GPU 程式最主要的習慣差異。

Q沒有安裝 GPU 時 TensorFlow 會怎樣？

如果系統中沒有可用的 GPU，TensorFlow 會自動退回使用 CPU 執行運算，程式不會出錯，只是訓練速度會明顯變慢。

最後更新

2026-08-28（原文發布於 2023-01-03，本文保留原始筆記內容並補上 GEO 結構。）

關於作者 {#author}

Claire Chang ｜企業 AI 導入與流程轉型顧問。專注於 AI Agent 架構設計、ERP 系統整合與企業 AI 治理。

首次發布：2023-01-03