CUDA im Check
CUDA im Check: Wo die GPU-Plattform glänzt – und welche Alternativen es gibt
Grafikprozessoren (GPUs) sind heute unverzichtbar für Künstliche Intelligenz, Simulationen und Datenanalysen. Die allermeisten weltweit verbauten GPUs stammen von NVIDIA – und auf nahezu allen läuft die hauseigene Plattform CUDA. Was steckt hinter den vier Buchstaben, wo sind CUDAs Stärken und welche Alternativen gibt es?
Bettina Benesch
Was ist CUDA und wie funktioniert es?
CUDA steht für Compute Unified Device Architecture. Hinter dem Kürzel verbirgt sich eine Plattform und Programmierschnittstelle (API), die es ermöglicht, GPUs direkt für allgemeine Berechnungen einzusetzen, die weit über klassische Grafikaufgaben hinausgehen. So lässt sich Standard-Code in C/C++ oder Fortran um GPU-spezifische Funktionen erweitern und auf tausende Rechenkerne gleichzeitig verteilen. Das beschleunigt aufwändige Projekte – von der Strömungssimulation bis zum Training eines Deep-Learning-Modells.
In vielen Bereichen erzielt CUDA Spitzenwerte, da es die gesamte Parallelität von GPUs ausnützt. So ist das Tool unschlagbar bei komplexen wissenschaftlichen Simulationen oder beim Training großer Sprachmodelle.
Die Stärken von CUDA
1. Hohe Performance auf NVIDIA-Hardware
CUDA ist auf die Architektur der NVIDIA-GPUs zugeschnitten und kann deren gesamte Parallelität ausnutzen. In vielen Bereichen erzielt es damit Spitzenwerte; zum Beispiel bei komplexen wissenschaftlichen Simulationen oder beim Training großer Sprachmodelle.
2. Reifer Toolstack und große Community
Seit seiner Einführung 2007 hat sich CUDA kontinuierlich weiterentwickelt. Der Einstieg ist leichter als bei vielen offenen Alternativen, da es eine große Entwicklergemeinschaft gibt, dazu ausgereifte Dokumentation, unzählige Tutorials und aktiven Support von NVIDIA.
3. Enge Verzahnung mit KI-Frameworks
Fast alle großen KI-Frameworks wie PyTorch oder TensorFlow nutzen CUDA als Standard-Beschleuniger. CUDA-Nutzer:innen können optimierte Bibliotheken wie cuDNN, cuBLAS und cuFFT verwenden.
4. Einfache Programmierung
CUDA bietet eine gut dokumentierte API und viele Tools, die GPU-Programmierung einfacher machen als bei OpenCL oder Vulkan. Zusätzlich bietet NVIDIA Tools wie Nsight Compute/Systems/Graphics, um GPU-Code zu optimieren und zu debuggen.
5. Bewährter Standard in Wissenschaft und Industrie
CUDA ist in zahlreichen Disziplinen ein Klassiker im GPU-Computing, egal ob bei Molekulardynamik in der Chemie, Bilderkennung in der Medizin oder Finanzsimulationen.
CUDA-Code läuft nur auf NVIDIA-GPUs. Wer plattformunabhängig entwickeln will oder auf AMD-, Intel- oder Apple-GPUs setzt, muss andere Wege gehen.
Die Grenzen von CUDA
- CUDA-Code läuft nur auf NVIDIA-GPUs. Wer plattformunabhängig entwickeln will oder auf AMD-, Intel- oder Apple-GPUs setzt, muss andere Wege gehen.
- Ein einmal entwickeltes CUDA-Programm lässt sich im Gegensatz zu OpenCL oder SYCL nicht ohne Anpassung auf andere Architekturen übertragen.
- Für Standardroutinen der linearen Algebra lohnt es sich kaum, eigenen CUDA-Code zu schreiben. Hier sind etablierte Bibliotheken wie z. B. cuBLAS, oder MAGMA effizienter. Auch für I/O-lastige Anwendungen ohne großen numerischen Anteil ist der Nutzen begrenzt.
Welche Alternativen es gibt
- OpenCL: Offener Standard, läuft auf vielen GPU- und CPU-Architekturen. Gut für plattformunabhängige Projekte, aber komplexer zu programmieren.
- SYCL: Baut auf C++ auf und verspricht portablen Code für verschiedene Hardware.
- HIP (AMD): Vor allem interessant, wenn bestehender CUDA-Code auf AMD-GPUs portiert werden soll.
- Vulkan Compute oder Numba (Python): Für spezielle Echtzeit- oder High-Level-Anwendungen
Wann ist es sinnvoll ist, Alternativen zu nutzen
- Edge-Devices und Mobile: Für ARM- (ohne NVIDIA-GPU), Apple- oder Qualcomm-Chips ist CUDA nicht verfügbar. Wer ARM-Geräte mit NVIDIA-GPU einsetzt (z. B. Jetson für Robotik oder autonome Fahrzeuge), kann CUDA nutzen. Wie das geht, steht hier: https://developer.nvidia.com/arm.
- Langfristige Hardwareunabhängigkeit: Offene Standards erleichtern den Wechsel des GPU-Anbieters.
- Projekte mit gemischten Rechenarchitekturen: Wenn mehrere Hardwaretypen gleichzeitig unterstützt werden müssen, sind OpenCL oder SYCL die Tools der Wahl.
CUDA oder nicht? Eine kleine Entscheidungshilfe
Projekt | Geeignete Technologie | Nutzen |
Deep Learning & KI-Training | CUDA | Beste Performance, breite Framework-Unterstützung |
Wissenschaftliche Simulationen | CUDA oder OpenCL/SYCL | CUDA für reine NVIDIA-Cluster, offene Standards für heterogene Rechenzentren |
Industrie 4.0 / Echtzeitanalyse | OpenCL, SYCL | CUDA nicht verfügbar |
Langfristig plattformunabhängige Software | OpenCL, SYCL | Code portierbar, geringere Bindung an einzelne Hersteller |
Alles (andere) | CUDA, HIP | Einfach auf NVIDIA & AMD nutzbar |
Aktuelle Trainings von EuroCC Austria und ASC
Du willst mehr über CUDA erfahren? EuroCC Austria und Austrian Scientific Computing bieten regelmäßig Trainings an. Hier geht’s zur Übersicht aller Kurse.