tiny-cuda-nn

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4.5k 561 较难 1 次阅读 今天NOASSERTION开发框架
AI 解读 由 AI 自动生成,仅供参考

tiny-cuda-nn 是一个轻量级且自包含的 C++/CUDA 神经网络框架,专为在 NVIDIA GPU 上实现极速训练与推理而设计。它主要解决了传统深度学习框架在处理特定结构网络时效率不足的问题,通过高度优化的底层代码,显著提升了运算速度。

该工具特别适合需要高性能计算的开发者、图形学研究人员以及从事神经渲染(如 Instant NGP)工作的工程师。如果你希望在资源受限的环境下快速原型验证,或追求极致的实时推理性能,tiny-cuda-nn 是理想选择。

其核心技术亮点在于“完全融合”的多层感知机(Fully Fused MLP)和多分辨率哈希编码(Multiresolution Hash Encoding)。前者通过将多个神经网络层操作合并为单个 CUDA 内核,大幅减少内存访问开销;后者则能高效表示高频细节,常用于三维场景重建。此外,框架还支持即时编译融合(JIT fusion)技术,在较新的 GPU 上可进一步带来 1.5 至 2.5 倍的性能提升。整体而言,tiny-cuda-nn 以简洁的 API 和卓越的性能,成为加速小型神经网络应用的有力工具。

使用场景

某自动驾驶仿真团队需要在 RTX 3090 显卡上实时训练高保真神经辐射场(NeRF),以重建复杂城市街道的 3D 场景并支持动态光照渲染。

没有 tiny-cuda-nn 时

  • 训练速度极慢:使用传统 TensorFlow 框架训练多层感知机(MLP),单次迭代耗时数百毫秒,完成高质量场景重建需数天甚至数周。
  • 显存占用过高:常规神经网络结构在处理高分辨率哈希编码时显存爆炸,导致无法在单卡上运行大尺度场景,被迫降低分辨率牺牲细节。
  • 推理延迟严重:模型查询速度慢,无法满足仿真系统对实时渲染(>30 FPS)的严苛要求,画面出现明显卡顿。
  • 代码耦合度高:需要自行编写复杂的 CUDA 核函数来优化矩阵运算,开发周期长且极易出错,难以快速验证新算法。

使用 tiny-cuda-nn 后

  • 训练效率飞跃:利用其“全融合”MLP 架构,将训练速度提升 10 倍以上,原本需一周的训练任务缩短至数小时内完成。
  • 显存利用极致:内置的多分辨率哈希编码技术大幅压缩参数量,使得在单张消费级显卡上也能流畅训练亿级参数的大场景。
  • 实时推理达成:结合 JIT 融合技术,推理延迟降低至微秒级,轻松实现 60 FPS 以上的实时高清场景漫游与光照变化模拟。
  • 开发聚焦核心:通过简洁的 C++/JSON 配置接口即可调用底层高度优化的算子,工程师无需关注底层 CUDA 细节,专注于场景逻辑创新。

tiny-cuda-nn 通过将底层算力压榨到极致,让实时高保真 3D 场景重建从理论走向工程落地。

运行环境要求

操作系统
  • Linux
  • Windows
GPU
  • 必需 NVIDIA GPU(支持 Tensor Core 更佳)
  • 完全融合 MLP 默认配置需要大量共享内存,推荐 RTX 3090、RTX 2080 Ti 或更高端显卡
  • 低端显卡需减少神经元数量或使用 CutlassMLP
  • CUDA 版本要求:Windows 需 11.5+,Linux 需 10.2+
内存

未说明(但编译时若内存不足可能导致失败)

依赖
notes1. 编译器要求:Windows 需 Visual Studio 2019/2022,Linux 需 GCC/G++ 8+。2. 完全融合 MLP 组件对显存和共享内存要求极高,低端卡需调整配置。3. 若使用 Linux,需安装 build-essential 和 git。4. JIT 融合功能在较新 GPU 上可提升 1.5-2.5 倍性能,但在大模型或旧显卡上可能变慢。5. PyTorch 绑定在小批量数据下开销较大。
python3.X (用于 PyTorch 扩展)
CMake >= 3.21
CUDA Toolkit
PyTorch (CUDA enabled)
nlohmann/json
fmt
commentjson
tiny-cuda-nn hero image

快速开始

微型 CUDA 神经网络

这是一个小型、自包含的框架,用于训练和查询神经网络。最引人注目的是,它包含一个极快的“完全融合”多层感知机(技术论文),一种多功能的多分辨率哈希编码技术论文),以及对各种其他输入编码、损失函数和优化器的支持。

性能

Image 完全融合网络与 TensorFlow v2.5.0 w/ XLA 的对比。在 RTX 3090 上,分别测量了宽度为 64(实线)和 128(虚线)个神经元的多层感知机。由 benchmarks/bench_ours.cubenchmarks/bench_tensorflow.py 使用 data/config_oneblob.json 生成。

使用方法

微型 CUDA 神经网络提供了一个简单的 C++/CUDA API:

#include <tiny-cuda-nn/common.h>

// 配置模型
nlohmann::json config = {
	{"loss", {
		{"otype", "L2"}
	}},
	{"optimizer", {
		{"otype", "Adam"},
		{"learning_rate", 1e-3},
	}},
	{"encoding", {
		{"otype", "HashGrid"},
		{"n_levels", 16},
		{"n_features_per_level", 2},
		{"log2_hashmap_size", 19},
		{"base_resolution", 16},
		{"per_level_scale", 2.0},
	}},
	{"network", {
		{"otype", "FullyFusedMLP"},
		{"activation", "ReLU"},
		{"output_activation", "None"},
		{"n_neurons", 64},
		{"n_hidden_layers", 2},
	}},
};

using namespace tcnn;

auto model = create_from_config(n_input_dims, n_output_dims, config);
model->set_jit_fusion(supports_jit_fusion()); // 可选:通过 JIT 融合加速

// 训练模型(batch_size 必须是 tcnn::BATCH_SIZE_GRANULARITY 的倍数)
GPUMatrix<float> training_batch_inputs(n_input_dims, batch_size);
GPUMatrix<float> training_batch_targets(n_output_dims, batch_size);

for (int i = 0; i < n_training_steps; ++i) {
	generate_training_batch(&training_batch_inputs, &training_batch_targets); // <-- 你的代码

	float loss;
	model.trainer->training_step(training_batch_inputs, training_batch_targets, &loss);
	std::cout << "iteration=" << i << " loss=" << loss << std::endl;
}

// 使用模型
GPUMatrix<float> inference_inputs(n_input_dims, batch_size);
generate_inputs(&inference_inputs); // <-- 你的代码

GPUMatrix<float> inference_outputs(n_output_dims, batch_size);
model.network->inference(inference_inputs, inference_outputs);

JIT 融合

JIT 融合是 tiny-cuda-nn v2.0 及更高版本中的一项新功能,属于可选特性。 根据模型和 GPU 的不同,几乎总是建议启用自动 JIT 融合,以获得 1.5 到 2.5 倍的性能提升。 较新的 GPU 通常会带来更大的加速效果。

如果您的模型包含非常大的哈希网格(约 2000 万+ 参数)或 MLP(每层神经元数量超过 128 个),或者您的 GPU 是 RTX 3000 系列及更早型号,则 JIT 融合可能会减慢训练速度。 在极少数情况下,推理也会变慢。 在这种情况下,建议分别尝试为训练和推理启用 JIT 融合,以衡量是否确实更快。

如果您在其他情况下遇到性能下降,或在启用 JIT 融合时遇到其他问题,请提交一个问题

自动 JIT 融合

要启用 JIT 融合,只需将模型的 jit_fusion 属性设置为 true。 此后,无论进行推理还是训练,模型都将使用 JIT 模式。 请注意,如果 JIT 编译过程中出现错误,系统将发出警告,并自动关闭 JIT 编译模式。 此时,您的代码仍将使用 tiny-cuda-nn 1.X 的代码路径运行。

auto model = tcnn::create_from_config(...);
model->set_jit_fusion(tcnn::supports_jit_fusion()); // 如果系统支持,则启用 JIT

JIT 融合也可以通过 PyTorch 绑定来启用,但加速效果会较低,尤其是在训练阶段。 这是因为 JIT 编译器无法访问完整的计算图,因此能够融合和优化的内容较少。

import tinycudann as tcnn

model = tcnn.NetworkWithInputEncoding(...) # 或任何其他 tcnn 模型
model.jit_fusion = tcnn.supports_jit_fusion() # 如果系统支持,则启用 JIT

手动 JIT 融合

当应用程序与 JIT 融合更紧密地集成时,可以获得更大的加速效果。 例如,Instant NGP 通过将整个 NeRF 射线追踪器融合到一个内核中,实现了 5 倍的加速。

JIT 融合的工作原理是将给定的 tiny-cuda-nn 模型转换为 CUDA 设备函数,然后利用 CUDA 的运行时编译 (RTC) 功能将其编译成一个内核。

要将 tiny-cuda-nn 模型与您应用中的更大内核集成,您需要:

  1. 将您的内核转换为字符串,
  2. 在其前缀添加 tiny-cuda-nn 模型的设备函数,
  3. 将结果传递给 tiny-cuda-nn 的运行时编译 API。

以下是一个示例,展示了如何使用具有 32 个输入维度和 16 个输出维度的 tiny-cuda-nn 模型实现一个最小内核:

#include <tiny-cuda-nn/rtc_kernel.h>

auto model = tcnn::create_from_config(32 /* input dims */, 16 /* output dims */, ...);
auto fused_kernel = tcnn::CudaRtcKernel(
    "your_kernel",
    fmt::format(R"
        {MODEL_DEVICE_FUNCTION}
        __global__ void your_kernel(...) {
            // 从寄存器或内存中获取模型输入。
            tcnn::hvec<32> input = ...;
            // 调用 tiny-cuda-nn 模型。在此处,warp 中的所有 32 个线程都必须处于活动状态。
            tcnn::hvec<16> output = model_fun(nerf_in, params); 
            // 对模型输出做些处理。
        }",
        fmt::arg("MODEL_DEVICE_FUNCTION", model->generate_device_function("model_fun")),
    )
);

uint32_t blocks = 1;
uint32_t threads = 128; // 必须是 32 的倍数,以便神经网络正常工作。
uint32_t shmem_size = 0; // 可以根据 your_kernel 的需求设置任意大小。
cudaStream_t stream = nullptr; // 可以使用任意流。
fused_kernel.launch(blocks, threads, shmem_size, stream, ... /* your_kernel 的参数 */);

以下是 Instant NGP 的 NeRF 集成与 JIT 编译器的参考:

示例:学习一张2D图像

我们提供了一个示例应用,用于学习一个图像函数 (x,y) -> (R,G,B)。可以通过以下命令运行:

tiny-cuda-nn$ ./build/mlp_learning_an_image https://oss.gittoolsai.com/images/NVlabs_tiny-cuda-nn_readme_974957d202f6.jpg data/config_hash.json

该程序会在每隔几个训练步骤生成一张图像。在 RTX 4090 上使用默认配置时,每 1000 步大约需要 1 秒多一点。

10 步 100 步 1000 步 参考图像
10steps 100steps 1000steps reference

要求

  • 一块 NVIDIA GPU;如果支持张量核心,则可以进一步提升性能。所有展示的结果均来自 RTX 3090。
  • 一个支持 C++17 的编译器。推荐并经过测试的选项如下:
    • Windows: Visual Studio 2019 或 2022
    • Linux: GCC/G++ 8 或更高版本
  • 一个较新的 CUDA 版本。推荐并经过测试的选项如下:
    • Windows: CUDA 11.5 或更高版本
    • Linux: CUDA 10.2 或更高版本
  • CMake v3.21 或更高版本
  • 本框架中的全融合 MLP 组件在其默认配置下需要 非常大 的共享内存。因此,它很可能仅能在 RTX 3090、RTX 2080 Ti 或更高端的 GPU 上运行。对于低端显卡,必须降低 n_neurons 参数,或者改用 CutlassMLP(兼容性更好但速度较慢)。

如果你使用的是 Linux,请安装以下软件包:

sudo apt-get install build-essential git

我们还建议将 CUDA 安装到 /usr/local/ 目录,并将 CUDA 的安装路径添加到你的 PATH 环境变量中。例如,如果你安装了 CUDA 12.6.3,可以在 ~/.bashrc 文件中添加以下内容:

export PATH="/usr/local/cuda-12.6.3/bin:$PATH"
export LD_LIBRARY_PATH="/usr/local/cuda-12.6.3/lib64:$LD_LIBRARY_PATH"

编译(Windows 和 Linux)

首先,使用以下命令克隆本仓库及其所有子模块:

$ git clone --recursive https://github.com/nvlabs/tiny-cuda-nn
$ cd tiny-cuda-nn

然后,使用 CMake 构建项目:(在 Windows 上,必须在 开发者命令提示符 中执行)

tiny-cuda-nn$ cmake . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=RelWithDebInfo
tiny-cuda-nn$ cmake --build build --config RelWithDebInfo -j

如果编译无故失败或耗时超过一小时,可能是内存不足。此时可以尝试去掉 -j 参数重新编译。

PyTorch 扩展

tiny-cuda-nn 自带一个 PyTorch 扩展,允许在 Python 环境中使用其高效的 MLP 和输入编码功能。这些绑定通常比纯 Python 实现快得多,尤其是在使用 多分辨率哈希编码 时。

不过,如果批量大小较小,Python/PyTorch 的开销仍然会很大。 例如,当批量大小为 64k 时,捆绑的 mlp_learning_an_image 示例通过 PyTorch 运行的速度比原生 CUDA 慢约 2 倍。 而当批量大小达到 256k 或更高时(默认设置),两者的性能差距就会小得多。

首先,设置一个支持 CUDA 的最新版 PyTorch 的 Python 3.X 环境。然后,运行以下命令安装扩展:

pip install git+https://github.com/NVlabs/tiny-cuda-nn/#subdirectory=bindings/torch

或者,如果你希望从本地克隆的 tiny-cuda-nn 安装,可以执行以下命令:

tiny-cuda-nn$ cd bindings/torch
tiny-cuda-nn/bindings/torch$ python setup.py install

默认情况下,该扩展会在支持半精度计算的 GPU(Volta、Turing、Ampere 等)上自动启用 FP16,在旧架构或 FP16 性能较差的硬件(如 Pascal/GTX 10 系列)上禁用 FP16。

如果你想覆盖此行为(例如强制在不支持的硬件上启用 FP16,或为了调试而禁用 FP16),可以在安装前设置 TCNN_HALF_PRECISION 环境变量:

禁用 FP16:0
启用 FP16:1

示例:

# Linux / macOS(禁用 FP16)
export TCNN_HALF_PRECISION=0
pip install git+https://github.com/NVlabs/tiny-cuda-nn/#subdirectory=bindings/torch

安装成功后,你可以按照以下示例使用 tiny-cuda-nn 模型:

import commentjson as json
import tinycudann as tcnn
import torch

with open("data/config_hash.json") as f:
	config = json.load(f)

# 选项 1:高效的编码+网络组合。
model = tcnn.NetworkWithInputEncoding(
	n_input_dims, n_output_dims,
	config["encoding"], config["network"]
)

# 选项 2:分离模块。速度稍慢但更灵活。
encoding = tcnn.Encoding(n_input_dims, config["encoding"])
network = tcnn.Network(encoding.n_output_dims, n_output_dims, config["network"])
model = torch.nn.Sequential(encoding, network)

model.jit_fusion = tcnn.supports_jit_fusion() # 可选:通过 JIT 融合加速

更多示例请参阅 samples/mlp_learning_an_image_pytorch.py

组件

以下是该框架的组件概览。JSON 文档列出了配置选项。

网络    
全融合 MLP src/fully_fused_mlp.cu 超快速的小型多层感知机(MLP)实现。
CUTLASS MLP src/cutlass_mlp.cu 基于 CUTLASS GEMM 例程的 MLP。速度比全融合版本慢,但可以处理更大的网络,且仍然相当快。
输入编码    
复合编码 include/tiny-cuda-nn/encodings/composite.h 允许组合多种编码。例如,可用于构建神经辐射缓存编码 [Müller 等人, 2021]
频率编码 include/tiny-cuda-nn/encodings/frequency.h NeRF 的 [Mildenhall 等人, 2020] 位置编码,对所有维度均匀应用。
格点编码 include/tiny-cuda-nn/encodings/grid.h 基于可训练的多分辨率格点的编码。用于 [即时神经图形基元 [Müller 等人, 2022]。这些格点可以由哈希表、密集存储或分块存储支持。
恒等编码 include/tiny-cuda-nn/encodings/identity.h 不对输入值进行任何变换。
Oneblob 编码 include/tiny-cuda-nn/encodings/oneblob.h 来自神经重要性采样 [Müller 等人, 2019] 和神经控制变量 [Müller 等人, 2020]
球谐函数编码 include/tiny-cuda-nn/encodings/spherical_harmonics.h 一种频率空间编码,比逐分量编码更适合方向向量。
三角波编码 include/tiny-cuda-nn/encodings/triangle_wave.h NeRF 编码的低成本替代方案。用于神经辐射缓存 [Müller 等人, 2021]
损失函数    
L1 损失 include/tiny-cuda-nn/losses/l1.h 标准 L1 损失。
相对 L1 损失 include/tiny-cuda-nn/losses/l1.h 以网络预测值归一化的相对 L1 损失。
MAPE 损失 include/tiny-cuda-nn/losses/mape.h 平均绝对百分比误差(MAPE)。与相对 L1 损失相同,但以目标值归一化。
SMAPE 损失 include/tiny-cuda-nn/losses/smape.h 对称平均绝对百分比误差(SMAPE)。与相对 L1 损失相同,但以预测值和目标值的均值归一化。
L2 损失 include/tiny-cuda-nn/losses/l2.h 标准 L2 损失。
相对 L2 损失 include/tiny-cuda-nn/losses/relative_l2.h 以网络预测值归一化的相对 L2 损失 [Lehtinen 等人, 2018]
相对 L2 亮度损失 include/tiny-cuda-nn/losses/relative_l2_luminance.h 与上一条相同,但以网络预测的亮度归一化。仅适用于网络输出为 RGB 的情况。用于神经辐射缓存 [Müller 等人, 2021]
交叉熵损失 include/tiny-cuda-nn/losses/cross_entropy.h 标准交叉熵损失。仅适用于网络输出为概率密度函数(PDF)的情况。
方差损失 include/tiny-cuda-nn/losses/variance_is.h 标准方差损失。仅适用于网络输出为 PDF 的情况。
优化器    
Adam include/tiny-cuda-nn/optimizers/adam.h 实现了 Adam [Kingma 和 Ba, 2014],并扩展为 AdaBound [Luo 等人, 2019]
Novograd include/tiny-cuda-nn/optimizers/lookahead.h 实现了 Novograd [Ginsburg 等人, 2019]
SGD include/tiny-cuda-nn/optimizers/sgd.h 标准随机梯度下降(SGD)。
Shampoo include/tiny-cuda-nn/optimizers/shampoo.h 实现了二阶 Shampoo 优化器 [Gupta 等人, 2018],结合了自主研发的优化技术以及 [Anil 等人, 2020] 的改进。
平均优化器 include/tiny-cuda-nn/optimizers/average.h 包装另一个优化器,在最近 N 次迭代中计算权重的线性平均值。该平均值仅用于推理(不反馈回训练过程)。
批量优化器 include/tiny-cuda-nn/optimizers/batched.h 包装另一个优化器,在每次 N 步时对平均梯度调用嵌套优化器一次。效果相当于增大批次大小,但只需恒定的内存开销。
复合优化器 include/tiny-cuda-nn/optimizers/composite.h 允许对不同参数使用多个优化器。
EMA 优化器 include/tiny-cuda-nn/optimizers/average.h 包装另一个优化器,计算权重的指数移动平均值。该平均值仅用于推理(不反馈回训练过程)。
指数衰减优化器 include/tiny-cuda-nn/optimizers/exponential_decay.h 包装另一个优化器,执行分段常数的指数学习率衰减。
Lookahead 优化器 include/tiny-cuda-nn/optimizers/lookahead.h 包装另一个优化器,实现了 lookahead 算法 [Zhang 等人, 2019]

许可与引用

本框架采用 BSD 3 条款许可证授权。详情请参阅 LICENSE.txt 文件。

如果您在研究中使用本框架,请通过以下 BibTeX 格式引用:

@software{tiny-cuda-nn,
	author = {M\"uller, Thomas},
	license = {BSD-3-Clause},
	month = {4},
	title = {{tiny-cuda-nn}},
	url = {https://github.com/NVlabs/tiny-cuda-nn},
	version = {2.0},
	year = {2021}
}

如需商业合作,请访问我们的官网并提交表格:NVIDIA Research Licensing

出版物与软件

该框架支持以下出版物:

具有多分辨率哈希编码的即时神经图形基元
托马斯·穆勒亚历克斯·埃文斯克里斯托夫·希德亚历山大·凯勒
ACM 图形学汇刊 (SIGGRAPH),2022年7月
网站 / 论文 / 代码 / 视频 / BibTeX

从图像中提取三角形3D模型、材质和光照
雅各布·蒙克贝格乔恩·哈塞尔格伦沈天畅高俊陈文政亚历克斯·埃文斯托马斯·穆勒桑雅·菲德勒
CVPR(口头报告),2022年6月
网站 / 论文 / 视频 / BibTeX

用于路径追踪的实时神经辐射缓存
托马斯·穆勒法布里斯·鲁塞尔扬·诺瓦克亚历山大·凯勒
ACM 图形学汇刊 (SIGGRAPH),2021年8月
论文 / GTC演讲 / 视频 / 交互式结果查看器 / BibTeX

此外,该框架还支持以下软件:

NerfAcc:通用NeRF加速工具箱
李瑞龙马修·坦西克安久·卡纳扎瓦
https://github.com/KAIR-BAIR/nerfacc

Nerfstudio:神经辐射场开发框架
马修·坦西克*伊森·韦伯*艾沃妮·吴*李瑞龙、布伦特·易、泰伦斯·王、亚历山大·克里斯托弗森、杰克·奥斯汀、卡米亚尔·萨拉希、阿比克·阿胡贾、大卫·麦卡利斯特、安久·卡纳扎瓦
https://github.com/nerfstudio-project/nerfstudio

如果您发现自己的出版物或软件未在此列出,欢迎随时提交Pull Request。

致谢

特别感谢NRC的作者们提供的有益讨论,以及尼古劳斯·宾德为本框架提供部分基础设施,并协助在CUDA中利用TensorCore。

版本历史

v2.02025/07/08
v1.62022/12/15
v1.52022/04/22
v1.42022/02/14
v1.32022/01/14
v1.22021/12/15
v1.12021/10/30

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