Comment utiliser les GPU NVIDIA pour l'entraînement de l'IA

Comment utiliser les GPU NVIDIA pour l'entraînement de l'IA

En bref : pour utiliser des GPU NVIDIA pour l’entraînement d’IA, commencez par vérifier que le pilote et le GPU sont bien visibles avec nvidia-smi , puis installez un framework/une pile CUDA compatible et exécutez un test simple de type « modèle + traitement par lots sur CUDA ». En cas de manque de mémoire, réduisez la taille des lots et utilisez la précision mixte, tout en surveillant l’utilisation, la mémoire et les températures.

Points clés à retenir :

Vérifications de base : Commencez par nvidia-smi ; corrigez la visibilité des pilotes avant d’installer les frameworks.

Compatibilité de la pile : Assurez-vous que les versions du pilote, de l'environnement d'exécution CUDA et du framework restent alignées afin d'éviter les plantages et les installations fragiles.

Petit succès : vérifiez qu’une seule passe avant s’exécute correctement sur CUDA avant de passer à l’échelle supérieure.

Discipline VRAM : s’appuyer sur la précision mixte, l’accumulation de gradients et la création de points de contrôle pour ajuster des modèles plus grands.

Suivi des habitudes : Surveillez l'utilisation, les modèles de mémoire, la consommation d'énergie et les températures afin de repérer rapidement les goulots d'étranglement.

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1) Vue d'ensemble : que faites-vous lorsque vous « entraînez sur GPU » ? 🧠⚡

L'entraînement de modèles d'IA consiste principalement à effectuer d'énormes calculs matriciels. Les GPU sont conçus pour ce type de traitement parallèle ; des frameworks comme PyTorch, TensorFlow et JAX peuvent donc décharger les calculs les plus lourds sur le GPU. ( Documentation PyTorch CUDA , Installation de TensorFlow (pip) , Guide de démarrage rapide JAX )

En pratique, « utiliser des GPU NVIDIA pour l’entraînement » signifie généralement :

  • Les paramètres de votre modèle résident (principalement) dans la VRAM du GPU

  • Vos lots sont déplacés de la RAM vers la VRAM à chaque étape

  • Vos fonctions de propagation avant et arrière s'exécutent sur des noyaux CUDA ( Guide de programmation CUDA ).

  • Les mises à jour de votre optimiseur s'effectuent sur le GPU (idéalement)

  • Vous surveillez les températures, la mémoire et l'utilisation pour éviter toute surchauffe 🔥 ( Documentation NVIDIA nvidia-smi )

Si cela vous paraît beaucoup, ne vous inquiétez pas. Il s'agit surtout d'une liste de contrôle et de quelques habitudes à prendre au fil du temps.

2) Qu'est-ce qui constitue une bonne configuration d'entraînement IA pour GPU NVIDIA ? 🤌

C'est la section « ne construisez pas une maison sur de la gelée ». Une bonne configuration pour l'utilisation des GPU NVIDIA dans l'entraînement de l'IA est une configuration simple et sans complications. Une configuration simple est stable. Stable est rapide. Rapide, c'est… rapide ! 😄

Un programme d'entraînement solide comprend généralement :

  • Mémoire vidéo suffisante pour la taille de votre lot + le modèle + les états de l'optimiseur

    • La mémoire vidéo, c'est comme la place dans une valise : on peut optimiser son rangement, mais on ne peut pas emporter l'infini.

  • Une pile logicielle adaptée (pilote + environnement d'exécution CUDA + compatibilité du framework) ( PyTorch Get Started (sélecteur CUDA) , installation de TensorFlow (pip) )

  • Stockage rapide (NVMe est extrêmement utile pour les grands ensembles de données)

  • Un processeur et une mémoire vive corrects sont nécessaires pour éviter que le chargement des données ne surcharge le GPU ( Guide d'optimisation des performances de PyTorch ).

  • Refroidissement et marge de puissance (sous-estimés jusqu'à ce qu'ils ne le soient plus 😬)

  • Environnement reproductible (venv/conda ou conteneurs) pour que les mises à jour ne deviennent pas chaotiques ( Présentation de NVIDIA Container Toolkit )

Et une autre chose que les gens oublient souvent :

  • Une habitude de surveillance : vous vérifiez la mémoire et l’utilisation du GPU comme vous vérifiez vos rétroviseurs en conduisant. ( Documentation NVIDIA nvidia-smi )

3) Tableau comparatif - Méthodes populaires d'entraînement avec les GPU NVIDIA (avec leurs particularités) 📊

Voici un petit guide pour vous aider à choisir le modèle qui vous convient. Les prix sont indicatifs (car la réalité peut varier), et oui, l'une de ces cellules est un peu décousue, c'est voulu.

Outil / Approche Idéal pour Prix Pourquoi ça marche (la plupart du temps)
PyTorch (vanille) PyTorch la plupart des gens, la plupart des projets Gratuit Écosystème flexible et immense, débogage facile – et puis, chacun a son avis
Documentation Lightning de PyTorch équipes, formation structurée Gratuit Réduit le code répétitif, boucles plus propres ; parfois, on a l’impression que c’est « magique », jusqu’à ce que ça ne le soit plus
Transformers Hugging Face + Documentation Réglage fin NLP + LLM Gratuit Formation avec piles incluses, excellents paramètres par défaut, résultats rapides 👍
Accélérer Accélérer la documentation Multi-GPU sans douleur Gratuit Rend DDP moins pénible, idéal pour une montée en charge sans tout réécrire
DeepSpeed ​​ZeRO maquettes géantes, astuces mnémotechniques Gratuit ZeRO, déchargement, mise à l'échelle : cela peut s'avérer délicat, mais gratifiant une fois que tout est en place
de TensorFlow + Keras TF pipelines de production Gratuit Des outils performants, un déploiement réussi ; certains adorent, d’autres moins
JAX + Flax Démarrage rapide JAX / Documentation Flax chercheurs et passionnés de vitesse Gratuit La compilation XLA peut être incroyablement rapide, mais le débogage peut sembler… abstrait
Présentation de NVIDIA Flux de travail parole + LLM Gratuit Configuration optimisée pour NVIDIA, recettes de qualité : on a l’impression de cuisiner dans un four haut de gamme 🍳
Docker + NVIDIA Container Toolkit : présentation du kit d’outils environnements reproductibles Gratuit « Fonctionne sur ma machine » devient « fonctionne sur nos machines » (en grande partie, à nouveau)

4) Étape 1 - vérifiez que votre GPU est correctement détecté 🕵️‍♂️

Avant d'installer une douzaine de choses, vérifiez les bases.

Ce que vous souhaitez voir se réaliser :

  • La machine détecte le GPU

  • Le pilote NVIDIA est correctement installé

  • Le GPU n'est pas bloqué à faire autre chose

  • Vous pouvez l'interroger de manière fiable

Le chèque classique est :

Ce que vous recherchez :

Si nvidia-smi échoue, arrêtez-vous immédiatement. N'installez pas encore de frameworks. C'est comme essayer de faire du pain sans four branché. ( Interface de gestion système NVIDIA (NVSMI) )

Petite précision : il arrive que nvidia-smi fonctionne, mais que l’entraînement échoue quand même car l’environnement d’exécution CUDA utilisé par votre framework ne correspond pas aux attentes du pilote. Ce n’est pas de votre faute, c’est tout simplement comme ça 😭 ( PyTorch : Démarrage (sélecteur CUDA) , Installation de TensorFlow (pip) )

5) Construire la pile logicielle : pilotes, CUDA, cuDNN et la « danse de la compatibilité » 💃

C’est là que les gens perdent des heures. L’astuce : choisir une voie et s’y tenir .

Option A : CUDA intégré au framework (souvent la plus simple)

De nombreuses versions de PyTorch intègrent leur propre environnement d'exécution CUDA, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire d'installer l'ensemble du kit d'outils CUDA sur l'ensemble du système. Un pilote NVIDIA compatible suffit généralement. ( PyTorch : Prise en main (sélecteur CUDA) , Versions précédentes de PyTorch (modules CUDA) )

Avantages :

  • Moins de pièces mobiles

  • Installations plus faciles

  • Plus reproductible par environnement

Inconvénients :

  • Si vous mélangez les environnements de manière informelle, vous risquez d'être désorienté

Option B : Kit de développement CUDA système (plus de contrôle)

Vous installez le kit de développement CUDA sur le système et configurez tous les éléments en conséquence. ( Documentation du kit de développement CUDA )

Avantages :

  • Plus de contrôle pour les configurations personnalisées, certains outils spéciaux

  • Pratique pour compiler certaines opérations

Inconvénients :

  • Plus de façons de mélanger les versions et de pleurer en silence

cuDNN et NCCL, en termes humains

  • cuDNN accélère les primitives d'apprentissage profond (convolutions, bits RNN, etc.) ( Documentation NVIDIA cuDNN )

  • NCCL est la bibliothèque de communication rapide « GPU-à-GPU » pour l'entraînement multi-GPU ( Présentation de NCCL )

Si vous effectuez des entraînements multi-GPU, NCCL est votre meilleur allié – et parfois votre colocataire capricieux. ( Présentation de NCCL )

6) Votre premier entraînement GPU (dans l'esprit de l'exemple PyTorch) ✅🔥

Pour apprendre à utiliser les GPU NVIDIA pour l'entraînement de l'IA , vous n'avez pas besoin d'un projet d'envergure au préalable. Un petit succès suffit.

Idées principales :

  • Détecter l'appareil

  • Déplacer le modèle vers le GPU

  • Déplacer les tenseurs vers le GPU

  • Vérifiez que la passe avant s'exécute bien à cet endroit ( documentation PyTorch CUDA ).

Choses que je vérifie toujours en premier :

Pièges courants du type « pourquoi est-ce lent ? »

  • Votre chargeur de données est trop lent (GPU en attente d'inactivité) ( Guide d'optimisation des performances de PyTorch )

  • Vous avez oublié de transférer les données vers le GPU (oups)

  • La taille du lot est minuscule (sous-utilisation du GPU)

  • Vous effectuez un prétraitement CPU important lors de l'étape d'entraînement

Oui, votre GPU semblera souvent peu sollicité si le goulot d'étranglement est dû aux données. C'est comme engager un pilote de course et le faire attendre pour faire le plein à chaque tour.

7) Le jeu de la VRAM : taille des lots, précision mixte et pas d’explosion 💥🧳

La plupart des problèmes pratiques de formation se résument à la gestion de la mémoire. S'il ne faut retenir qu'une seule compétence, c'est la gestion de la VRAM.

Des moyens rapides de réduire l'utilisation de la mémoire

Le moment « pourquoi la VRAM est-elle toujours pleine après l'arrêt ? »

Les frameworks utilisent souvent la mise en cache de la mémoire pour optimiser les performances. C'est normal. Cela peut paraître inquiétant, mais il ne s'agit pas toujours d'une fuite de mémoire. On apprend à décrypter ces schémas. ( Sémantique CUDA de PyTorch : allocateur de cache )

Habitude pratique :

8) Optimisez le GPU pour qu'il fonctionne réellement : un réglage des performances qui vaut la peine d'y consacrer du temps 🏎️

Faire fonctionner l'entraînement GPU est la première étape. Le faire rapidement est la deuxième.

Optimisations à fort impact

Le goulot d'étranglement le plus négligé

Votre pipeline de stockage et de prétraitement. Si votre ensemble de données est volumineux et stocké sur un disque lent, votre GPU se transforme en un coûteux radiateur d'appoint. Un radiateur d'appoint très sophistiqué, certes, mais très performant.

Au fait, petite confession : j’ai « optimisé » un modèle pendant une heure pour finalement me rendre compte que le problème venait de la journalisation. Trop d’affichage peut ralentir l’entraînement. Eh oui, c’est possible.

9) Entraînement multi-GPU - DDP, NCCL et mise à l'échelle sans chaos 🧩🤝

Si vous souhaitez plus de vitesse ou des modèles plus volumineux, vous passez à une configuration multi-GPU. C'est là que les choses se corsent.

Approches communes

  • Données parallèles (DDP)

    • Répartir les lots entre les GPU, synchroniser les gradients

    • L'option « bonne » par défaut est généralement utilisée ( documentation PyTorch DDP ).

  • Modèle parallèle / Tenseur parallèle

    • Répartir le modèle entre les GPU (pour les modèles très volumineux)

  • Pipeline parallèle

    • Diviser les couches du modèle en étapes (comme une chaîne de montage, mais pour les tenseurs)

Pour débuter, l'entraînement de type DDP est idéal. ( Tutoriel PyTorch DDP )

Conseils pratiques pour l'utilisation multi-GPU

  • Assurez-vous que les GPU ont des capacités similaires (un mélange de GPU peut constituer un goulot d'étranglement)

  • L'interconnexion des dispositifs de surveillance : NVLink et PCIe sont importants pour les charges de travail nécessitant une synchronisation intensive ( Présentation de NVIDIA NVLink , Documentation NVIDIA NVLink )

  • Maintenir des tailles de lots équilibrées par GPU

  • Ne négligez pas le processeur et le stockage : l’utilisation de plusieurs GPU peut amplifier les goulots d’étranglement des données

Et oui, les erreurs NCCL peuvent donner l'impression d'être une énigme insoluble, elle-même enveloppée de mystère et de questionnements interminables. Vous n'êtes pas maudit. Du moins, je l'espère. ( Présentation de NCCL )

10) Surveillance et profilage : la partie ingrate qui vous fait gagner un temps précieux 📈🧯

Pas besoin de tableaux de bord sophistiqués pour commencer. L'important, c'est de remarquer quand quelque chose ne va pas.

Signaux clés à surveiller

  • Utilisation du GPU : est-elle constamment élevée ou irrégulière ?

  • Utilisation de la mémoire : stable, en hausse ou bizarre ?

  • Consommation électrique : une consommation anormalement basse peut indiquer une sous-utilisation.

  • Températures : des températures élevées et prolongées peuvent réduire les performances

  • Utilisation du processeur : les problèmes liés au pipeline de données apparaissent ici ( Guide d’optimisation des performances de PyTorch )

Profilage de l'état d'esprit (version simple)

  • Si le GPU est peu utilisé, il s'agit d'un goulot d'étranglement au niveau des données ou du processeur

  • Si le GPU est performant mais lent, cela peut être dû à une inefficacité du noyau, à un manque de précision ou à l'architecture du modèle

  • Si la vitesse d'entraînement chute de manière aléatoire : limitation thermique, processus en arrière-plan, problèmes d'E/S

Je sais, la surveillance, ça n'a l'air pas amusant. Mais c'est comme utiliser du fil dentaire : agaçant au début, mais au final, la vie s'améliore.

11) Dépannage - les causes habituelles (et les moins habituelles) 🧰😵💫

Cette section se résume en gros à : « les mêmes cinq problèmes, indéfiniment »

Problème : mémoire insuffisante pour CUDA

Correctifs :

Problème : L’entraînement s’exécute accidentellement sur le processeur

Correctifs :

  • S'assurer que le modèle a été déplacé vers CUDA

  • s'assurer que les tenseurs ont été déplacés vers CUDA

  • Vérifier la configuration du périphérique du framework ( documentation PyTorch CUDA )

Problème : Plantages étranges ou accès mémoire illégaux

Correctifs :

Problème : Plus lent que prévu

Correctifs :

Problème : Blocages multi-GPU

Correctifs :

Petite précision : parfois, la solution consiste tout simplement à redémarrer l’ordinateur. Ça peut paraître bête, mais ça marche. C’est comme ça avec les ordinateurs.

12) Coût et praticité : choisir la bonne carte graphique NVIDIA et la configuration adéquate sans trop réfléchir 💸🧠

Tous les projets ne nécessitent pas la carte graphique la plus puissante. Parfois, suffisante .

Si vous peaufinez des modèles de taille moyenne

Si vous entraînez des modèles plus grands à partir de zéro

Si vous faites de l'expérimentation

  • Vous souhaitez une itération rapide

  • Ne dépensez pas tout votre budget dans une carte graphique au détriment du stockage et de la RAM. Ne négligez pas ensuite le stockage et la RAM

  • Un système équilibré vaut mieux qu'un système déséquilibré (la plupart du temps)

En réalité, on peut perdre des semaines à rechercher le matériel « parfait ». Créez quelque chose de fonctionnel, mesurez les résultats, puis ajustez. Le véritable problème, c'est l'absence de retour d'information.

Remarques finales - Comment utiliser les GPU NVIDIA pour l'entraînement de l'IA sans devenir fou 😌✅

Si vous ne retenez rien d'autre de ce guide sur l'utilisation des GPU NVIDIA pour l'entraînement de l'IA , retenez ceci :

Se former aux GPU NVIDIA, c'est le genre de compétence qui paraît intimidante au début, puis qui, soudain, devient tout à fait naturelle. Un peu comme apprendre à conduire. Au début, tout est bruyant et déroutant, et on serre le volant trop fort. Puis un jour, on roule tranquillement, on sirote son café et on résout un problème de taille de lot comme si de rien n'était ☕😄

FAQ

Que signifie entraîner un modèle d'IA sur un GPU NVIDIA ?

L'entraînement sur un GPU NVIDIA signifie que les paramètres du modèle et les lots d'entraînement résident dans la VRAM du GPU, et que les calculs complexes (propagation avant, rétropropagation, étapes d'optimisation) sont exécutés par des noyaux CUDA. En pratique, cela consiste souvent à s'assurer que le modèle et les tenseurs sont stockés sur CUDA , puis à surveiller la mémoire, son utilisation et les températures afin de maintenir un débit constant.

Comment vérifier qu'une carte graphique NVIDIA fonctionne avant d'installer quoi que ce soit d'autre ?

Commencez par exécuter nvidia-smi . Cette commande devrait afficher le nom du GPU, la version du pilote, l'utilisation actuelle de la mémoire et les processus en cours d'exécution. Si nvidia-smi échoue, attendez avant d'utiliser PyTorch/TensorFlow/JAX ; commencez par résoudre le problème d'affichage du pilote. C'est le premier réflexe, la même chose que de vérifier si le GPU est branché avant d'effectuer l'entraînement.

Choisir entre CUDA système et CUDA intégré à PyTorch

Une approche courante consiste à utiliser CUDA intégré au framework (comme de nombreuses roues PyTorch) car cela réduit le nombre d'éléments à gérer ; un pilote NVIDIA compatible est le seul élément requis. L'installation de la bibliothèque CUDA complète offre un contrôle accru (compilations personnalisées, opérations de compilation), mais augmente également les risques d'incompatibilités de versions et d'erreurs d'exécution complexes.

Pourquoi l'entraînement peut rester lent même avec un GPU NVIDIA

Souvent, le GPU est sous-dimensionné par le pipeline d'entrée. Des chargeurs de données lents, un prétraitement CPU intensif lors de l'entraînement, des lots trop petits ou un stockage lent peuvent transformer un GPU puissant en un simple radiateur d'appoint. Augmenter le nombre de processus des chargeurs de données, activer la mémoire épinglée, ajouter du préchargement et réduire la quantité de données enregistrées sont des mesures courantes à prendre avant d'incriminer le modèle.

Comment éviter les erreurs « CUDA out of memory » lors de la formation GPU NVIDIA

La plupart des solutions consistent à optimiser la gestion de la VRAM : réduire la taille des lots, activer la précision mixte (FP16/BF16), utiliser l’accumulation de gradients, raccourcir la longueur des séquences/la taille des recadrages ou encore utiliser la sauvegarde des activations. Il est également important de vérifier si d’autres processus GPU consomment de la mémoire. Une certaine méthode par essais et erreurs est normale ; la gestion de la VRAM devient une pratique courante pour l’entraînement sur GPU.

Pourquoi la VRAM peut-elle encore sembler pleine après la fin d'un script d'entraînement ?

Les frameworks mettent souvent en cache la mémoire GPU pour optimiser les performances ; la mémoire réservée peut donc rester élevée même lorsque la mémoire allouée diminue. Cela peut ressembler à une fuite de mémoire, mais il s'agit généralement du comportement normal de l'allocateur de cache. En pratique, il est conseillé de suivre l'évolution de la mémoire au fil du temps et de comparer la mémoire allouée à la mémoire réservée plutôt que de se focaliser sur un seul instantané alarmant.

Comment confirmer qu'un modèle ne s'entraîne pas discrètement sur le processeur ?

Effectuez un test préliminaire : vérifiez que `torch.cuda.is_available()` renvoie `True` , que `next(model.parameters()).device` indique bien « cuda » , et exécutez une passe avant sans erreur. Si les performances vous semblent anormalement lentes, assurez-vous également que vos lots sont bien transférés vers le GPU. Il est fréquent de déplacer le modèle en laissant accidentellement des données sur le GPU.

Le chemin le plus simple vers la formation multi-GPU

L'entraînement parallèle sur plusieurs GPU (type DDP) est souvent la meilleure première étape : répartir les lots sur plusieurs GPU et synchroniser les gradients. Des outils comme Accelerate facilitent l'utilisation de plusieurs GPU sans nécessiter une réécriture complète. Il faut s'attendre à des variables supplémentaires : communication NCCL, différences d'interconnexion (NVLink vs PCIe) et goulots d'étranglement accrus au niveau des données. Il est donc généralement préférable de passer progressivement à une configuration multi-GPU après un test concluant sur un seul GPU.

Que faut-il surveiller pendant l'entraînement des GPU NVIDIA pour détecter les problèmes au plus tôt ?

Surveillez l'utilisation du GPU, la consommation de mémoire (stable ou en hausse), la consommation électrique et les températures : une limitation de fréquence peut ralentir le système sans que cela se fasse sentir. Surveillez également l'utilisation du CPU, car les problèmes de traitement des données y apparaissent souvent en premier. Si l'utilisation est instable ou faible, suspectez les E/S ou les chargeurs de données ; si elle est élevée mais que le temps d'exécution reste long, analysez les noyaux, le mode de précision et le détail du temps d'exécution.

Références

  1. NVIDIA - Documentation NVIDIA nvidia-smi - docs.nvidia.com

  2. NVIDIA - Interface de gestion système NVIDIA (NVSMI) - developer.nvidia.com

  3. NVIDIA - Présentation de NVIDIA NVLink - nvidia.com

  4. PyTorch - Premiers pas avec PyTorch (sélecteur CUDA) - pytorch.org

  5. Documentation PyTorch CUDA - docs.pytorch.org

  6. TensorFlow - Installation de TensorFlow (pip) - tensorflow.org

  7. JAX - Démarrage rapide de JAX - docs.jax.dev

  8. Documentation d'entraînement Hugging Face - huggingface.co

  9. Lightning AI - Documentation Lightning - lightning.ai

  10. DeepSpeed ​​- ZeRO - deepspeed.readthedocs.io

  11. Microsoft Research - Microsoft Research : ZeRO/DeepSpeed ​​- microsoft.com

  12. Forums PyTorch - Forum PyTorch : vérification du modèle sur CUDA - discuss.pytorch.org

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