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Python3.11 + TF2.12 + GPUの環境を構築した(Windows11 + WSL + VSCode)

Last updated at 2023-08-29Posted at 2023-04-06

Tensorflowのバージョンを上げようとしたら、GPUの導入方法が結構変わっていたのでまとめました。

本記事のversion
- windows11
- Python3.11
- Tensorflow2.12.0
- GeForce RTX 3060

TF2.10までの導入方法は以前の記事が使えるのでそちらを参考にしてください。

機械学習用の環境を0から構築した(windows11 + VSCode + venv + Tensorflow + GPU)

TensorFlow2.11から `tensorflow-gpu` がなくなった

いつもGPUは tensorflow-gpu でインストールしていたのですが、どうやらそれがなくなったらしい。

参考:TensorFlow2.11からはWindows用のGPU対応ビルドがpipで配布されないらしい

じゃあどうやって入れるかというと参考ブログでは以下3つが紹介されていました。

pip install tensorflow-gpu==2.10.0 で過去のversionを使う
WSL2経由で使う（公式推奨方式）
pip install tensorflow 後に pip install tensorflow-directmi-plugin をする

3はまだ開発途中なプロジェクトのことで今回は触れません。（試していません）
2の方法でインストールしてみます。

1. WSLの準備

以下を参考に進めました。
・WSL2 のインストール，WSL2 上への Ubuntu のインストールと利用（Windows 11 対応の記事）
・WSL を使用して Windows に Linux をインストールする (Microsoft)

1-1. Hyper-V の有効化

スタートメニューから「Windowsの機能の有効化または無効化」を検索して開きます
以下を選択し、有効化（再起動が必要）
- 「Hyper-V」
- 「Linux 用 Windows サブシステム」
- 「仮想マシンプラットフォーム」
- ※「Linux 用 Windows サブシステム」がないというときは「Windows Subsystem for Linux」にチェックらしい

1-2. Ubuntuのインストール

1 コマンドプロンプト(またはPowerShell)を管理者で実行
2 現在インストールされているディストリビューション一覧を取得

C:\Users\poco> wsl -l -v
  NAME                   STATE           VERSION
* docker-desktop-data    Running         2
  docker-desktop         Running         2

既にDockerが入っていました。

3 インストールするディストリビューション一覧を確認する

C:\Users\poco> wsl --list --online
インストールできる有効なディストリビューションの一覧を次に示します。
'wsl --install -d <Distro>' を使用してインストールします。

NAME                                   FRIENDLY NAME
Ubuntu                                 Ubuntu
Debian                                 Debian GNU/Linux
kali-linux                             Kali Linux Rolling
Ubuntu-18.04                           Ubuntu 18.04 LTS
Ubuntu-20.04                           Ubuntu 20.04 LTS
Ubuntu-22.04                           Ubuntu 22.04 LTS
OracleLinux_8_5                        Oracle Linux 8.5
OracleLinux_7_9                        Oracle Linux 7.9
SUSE-Linux-Enterprise-Server-15-SP4    SUSE Linux Enterprise Server 15 SP4
openSUSE-Leap-15.4                     openSUSE Leap 15.4
openSUSE-Tumbleweed                    openSUSE Tumbleweed

4 インストール

C:\Users\poco> wsl --install -d Ubuntu-22.04
インストール中: Ubuntu 22.04 LTS
[                           0.0%                           ]

結構時間がかかりました。(OSインストールするぐらい？)(ずっと0.0%のままだったり…)

5 Ubuntuの初期設定

初回起動時のみユーザ名とパスワードを設定する必要があるようです。
（ログ取り忘れました…）

このパスワードはsudoコマンド使用時に必要になります。

6 インストール後のWSLのバージョン確認

C:\Users\poco> wsl --list -v
  NAME                   STATE           VERSION
* docker-desktop-data    Running         2
  Ubuntu-22.04           Stopped         2
  docker-desktop         Running         2

Versionは2でした。1の場合は以下で2にする必要があるそうです。

> wsl --set-version Ubuntu-22.04 2

7 規定のディストリビューションの変更

リストで * がついてるのが規定で起動する Linux サブシステムです。
Ubuntuに変更します。

C:\Users\poco> wsl -s Ubuntu-22.04

C:\Users\poco> wsl -l -v
  NAME                   STATE           VERSION
* Ubuntu-22.04           Running         2
  docker-desktop-data    Running         2
  docker-desktop         Running         2

1-3. WSLの基本的な使い方

WSLは素人なので基本的な使い方を見てみました。

1 linuxコマンドを実行する（規定の Linux サブシステム）

wsl コマンド で実行できるようです。
また、コマンドを実行時にWSLが止まっていた場合は自動で起動するようです。

C:\Users\poco> wsl pwd
/mnt/c/Users/poco

C:\Users\poco> wsl -l -v
  NAME                   STATE           VERSION
* Ubuntu-22.04           Running         2
  docker-desktop-data    Running         2
  docker-desktop         Running         2

2 WSLの終了方法

-t オプションで止めれるようです。
また、--shutdown ですべて止まるとの事。

C:\Users\poco>wsl -t Ubuntu-22.04

C:\Users\poco>wsl -l -v
  NAME                   STATE           VERSION
* Ubuntu-22.04           Stopped         2
  docker-desktop-data    Running         2
  docker-desktop         Running         2

3 ターミナルへの入り方

wsl をそのまま押せば中に入れます。

C:\Users\poco> wsl
To run a command as administrator (user "root"), use "sudo <command>".
See "man sudo_root" for details.

user@HOSTNAME:/mnt/c/Users/poco$
user@HOSTNAME:/mnt/c/Users/poco$
user@HOSTNAME:/mnt/c/Users/poco$ exit
logout

C:\Users\poco>

2. WSL上でGPUを使う方法

参考
・WindowsのWSL上でGPUのTensorFlow環境構築 (鷹の目週末プログラマー)
・CUDA on WSL User Guide (NVIDIA)

2-1. NVIDIA ドライバの更新

ドライバを以下からインストールし、最新にしておきます。(要再起動)

https://www.nvidia.co.jp/Download/index.aspx?lang=jp

2-2. Ubuntuの更新

一応更新しておきます。

> wsl --update
インストール中: Linux 用 Windows サブシステム
[                           0.0%                           ]

これも時間がかかったり…（0.0%から変化しません）
インストールした直後なら不要かもしれません。

> wsl --update
インストール中: Linux 用 Windows サブシステム
Linux 用 Windows サブシステム はインストールされました。

2-3. UbuntuにGPUをセットアップ

CUDAのインストール

NVIDIAのサポートページに従って入れていきます。

> wsl
$ sudo apt-key del 7fa2af80

以下サイトよりCUDAをインストールします。

https://developer.nvidia.com/cuda-toolkit-archive

バージョンですが、この記事作成時は最新の 12.1.0 を入れたらTensorflowが認識しませんでした。
（多分まだ12台のバージョンにTensorflowが対応していない？）

なので、11.8.0 を入れました。
選択は以下です。

Operating System: Linux
Architecture : x86_64
Distribution : WSL-Ubuntu
Version : 2.0
Install Type : deb(local)

するとインストールコマンドが表示されるのでそれ通りに入力します。

$ wget https://developer.download.nvidia.com/compute/cuda/repos/wsl-ubuntu/x86_64/cuda-wsl-ubuntu.pin
$ sudo mv cuda-wsl-ubuntu.pin /etc/apt/preferences.d/cuda-repository-pin-600
$ wget https://developer.download.nvidia.com/compute/cuda/11.8.0/local_installers/cuda-repo-wsl-ubuntu-11-8-local_11.8.0-1_amd64.deb
$ sudo dpkg -i cuda-repo-wsl-ubuntu-11-8-local_11.8.0-1_amd64.deb
$ sudo cp /var/cuda-repo-wsl-ubuntu-11-8-local/cuda-*-keyring.gpg /usr/share/keyrings/
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get -y install cuda

確認は以下です。

$ /usr/local/cuda/bin/nvcc --version
nvcc: NVIDIA (R) Cuda compiler driver
Copyright (c) 2005-2022 NVIDIA Corporation
Built on Wed_Sep_21_10:33:58_PDT_2022
Cuda compilation tools, release 11.8, V11.8.89
Build cuda_11.8.r11.8/compiler.31833905_0

cuDNN のインストール

NVIDIA Deep Learning cuDNN Documentation 参考にしています。

まずはzlibが必要との事なので入れておきます。(多分すでに入っています)

sudo apt install zlib1g

cuDNNはWebページからダウンロードする必要があるようです。
DLページは以下です。（無料ですが、要登録）

https://developer.nvidia.com/rdp/cudnn-download

Download cuDNN v8.8.1 (March 8th, 2023), for CUDA 11.x
Local Installer for Ubuntu22.04 x86_64 (Deb)

を選択しました。
ダウンロードができたら以下でインストールします。（WSL内からもwindows側のフォルダにアクセスできます）

sudo dpkg -i /mnt/c/Users/user/Downloads/cudnn-local-repo-ubuntu2204-8.8.1.3_1.0-1_amd64.deb
sudo cp /var/cudnn-local-repo-*/cudnn-local-*-keyring.gpg /usr/share/keyrings/
sudo apt update
sudo apt -y install libcudnn8 libcudnn8-dev libcudnn8-samples

確認は以下です。

cp -r /usr/src/cudnn_samples_v8/ ~/
cd ~/cudnn_samples_v8/mnistCUDNN/
make clean && make
./mnistCUDNN

ただ、makeを実行したところ以下エラーが出ました。

$ make clean && make
rm -rf *o
rm -rf mnistCUDNN
CUDA_VERSION is 11080
Linking agains cublasLt = true
CUDA VERSION: 11080
TARGET ARCH: x86_64
HOST_ARCH: x86_64
TARGET OS: linux
SMS: 35 50 53 60 61 62 70 72 75 80 86 87 90
test.c:1:10: fatal error: FreeImage.h: No such file or directory
    1 | #include "FreeImage.h"
      |          ^~~~~~~~~~~~~
compilation terminated.
>>> WARNING - FreeImage is not set up correctly. Please ensure FreeImage is set up correctly. <<<
[@] /usr/local/cuda/bin/nvcc -I/usr/local/cuda/include -I/usr/local/cuda/include -IFreeImage/include -ccbin g++ -m64 -gencode arch=compute_35,code=sm_35 -gencode arch=compute_50,code=sm_50 -gencode arch=compute_53,code=sm_53 -gencode arch=compute_60,code=sm_60 -gencode arch=compute_61,code=sm_61 -gencode arch=compute_62,code=sm_62 -gencode arch=compute_70,code=sm_70 -gencode arch=compute_72,code=sm_72 -gencode arch=compute_75,code=sm_75 -gencode arch=compute_80,code=sm_80 -gencode arch=compute_86,code=sm_86 -gencode arch=compute_87,code=sm_87 -gencode arch=compute_90,code=sm_90 -gencode arch=compute_90,code=compute_90 -o fp16_dev.o -c fp16_dev.cu
[@] g++ -I/usr/local/cuda/include -I/usr/local/cuda/include -IFreeImage/include -o fp16_emu.o -c fp16_emu.cpp
[@] g++ -I/usr/local/cuda/include -I/usr/local/cuda/include -IFreeImage/include -o mnistCUDNN.o -c mnistCUDNN.cpp
[@] /usr/local/cuda/bin/nvcc -ccbin g++ -m64 -gencode arch=compute_35,code=sm_35 -gencode arch=compute_50,code=sm_50 -gencode arch=compute_53,code=sm_53 -gencode arch=compute_60,code=sm_60 -gencode arch=compute_61,code=sm_61 -gencode arch=compute_62,code=sm_62 -gencode arch=compute_70,code=sm_70 -gencode arch=compute_72,code=sm_72 -gencode arch=compute_75,code=sm_75 -gencode arch=compute_80,code=sm_80 -gencode arch=compute_86,code=sm_86 -gencode arch=compute_87,code=sm_87 -gencode arch=compute_90,code=sm_90 -gencode arch=compute_90,code=compute_90 -o mnistCUDNN fp16_dev.o fp16_emu.o mnistCUDNN.o -I/usr/local/cuda/include -I/usr/local/cuda/include -IFreeImage/include -L/usr/local/cuda/lib64 -L/usr/local/cuda/lib64 -L/usr/local/cuda/lib64 -lcublasLt -LFreeImage/lib/linux/x86_64 -LFreeImage/lib/linux -lcudart -lcublas -lcudnn -lfreeimage -lstdc++ -lm

以下で無事にmakeが通りました。

$ sudo apt -y install libfreeimage3 libfreeimage-dev
$ make
$ ./mnistCUDNN
Executing: mnistCUDNN
cudnnGetVersion() : 8801 , CUDNN_VERSION from cudnn.h : 8801 (8.8.1)
Host compiler version : GCC 11.3.0

There are 1 CUDA capable devices on your machine :
device 0 : sms 28  Capabilities 8.6, SmClock 1807.0 Mhz, MemSize (Mb) 12287, MemClock 7501.0 Mhz, Ecc=0, boardGroupID=0
Using device 0

(略)

Test passed!

nvidia-smi の結果は以下です。

$ nvidia-smi
+---------------------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 530.41.03              Driver Version: 531.41       CUDA Version: 12.1     |
|-----------------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU  Name                  Persistence-M| Bus-Id        Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan  Temp  Perf            Pwr:Usage/Cap|         Memory-Usage | GPU-Util  Compute M. |
|                                         |                      |               MIG M. |
|=========================================+======================+======================|
|   0  NVIDIA GeForce RTX 3060         On | 00000000:01:00.0  On |                  N/A |
|  0%   41C    P8               13W / 170W|   1815MiB / 12288MiB |      3%      Default |
|                                         |                      |                  N/A |
+-----------------------------------------+----------------------+----------------------+

+---------------------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                                            |
|  GPU   GI   CI        PID   Type   Process name                            GPU Memory |
|        ID   ID                                                             Usage      |
|=======================================================================================|
|    0   N/A  N/A        26      G   /Xwayland                                 N/A      |
+---------------------------------------------------------------------------------------+

2-4. pythonのインストール

初期状態では3.10.6が入っていました。

$ python
Command 'python' not found, did you mean:
  command 'python3' from deb python3
  command 'python' from deb python-is-python3
$ python3 -V
Python 3.10.6

方針ですが、python の version は alternatives で切り替えて、環境は venv で管理したいと思います。
※作った後に思いましたが、venvで直接環境を作るのでalternativesは不要です。

参考：Ubuntu 22.04にPython3.xを複数インストールして切り替える方法（PPA・apt）

まずはインストール可能なバージョンを見てみます。（リポジトリは特に追加しなくても見れました）

$ sudo apt list python3.*
Listing... Done
python3.10-dbg/jammy-updates,jammy-security 3.10.6-1~22.04.2ubuntu1 amd64
python3.10-dev/jammy-updates,jammy-security,now 3.10.6-1~22.04.2ubuntu1 amd64 [installed,automatic]
python3.10-doc/jammy-updates,jammy-security 3.10.6-1~22.04.2ubuntu1 all
python3.10-examples/jammy-updates,jammy-security 3.10.6-1~22.04.2ubuntu1 all
python3.10-full/jammy-updates,jammy-security 3.10.6-1~22.04.2ubuntu1 amd64
python3.10-minimal/jammy-updates,jammy-security,now 3.10.6-1~22.04.2ubuntu1 amd64 [installed,automatic]
python3.10-nopie/jammy-updates,jammy-security 3.10.6-1~22.04.2ubuntu1 amd64
python3.10-venv/jammy-updates,jammy-security 3.10.6-1~22.04.2ubuntu1 amd64
python3.10/jammy-updates,jammy-security,now 3.10.6-1~22.04.2ubuntu1 amd64 [installed,automatic]
python3.11-dbg/jammy-updates 3.11.0~rc1-1~22.04 amd64
python3.11-dev/jammy-updates 3.11.0~rc1-1~22.04 amd64
python3.11-doc/jammy-updates 3.11.0~rc1-1~22.04 all
python3.11-examples/jammy-updates 3.11.0~rc1-1~22.04 all
python3.11-full/jammy-updates 3.11.0~rc1-1~22.04 amd64
python3.11-minimal/jammy-updates 3.11.0~rc1-1~22.04 amd64
python3.11-nopie/jammy-updates 3.11.0~rc1-1~22.04 amd64
python3.11-venv/jammy-updates 3.11.0~rc1-1~22.04 amd64
python3.11/jammy-updates 3.11.0~rc1-1~22.04 amd64

必要なパッケージをインストールします。(pipも入っていないのでついでに入れておきます)
Python3.11を入れる例は以下です。

sudo apt install -y python3-pip
sudo apt install -y python3.10-venv
sudo apt install -y python3.11 python3.11-venv

alternatives で python のバージョン管理(オプション)

まずは各バージョンを登録していきます。

$ which python3.10
/usr/bin/python3.10
$ which python3.11
/usr/bin/python3.11
$ sudo update-alternatives --install /usr/bin/python python /usr/bin/python3.11 120
$ sudo update-alternatives --install /usr/bin/python python /usr/bin/python3.10 110

確認は以下です。

$ sudo update-alternatives --config python
There are 2 choices for the alternative python (providing /usr/bin/python).

  Selection    Path                 Priority   Status
------------------------------------------------------------
* 0            /usr/bin/python3.11   120       auto mode
  1            /usr/bin/python3.10   110       manual mode
  2            /usr/bin/python3.11   120       manual mode

Press <enter> to keep the current choice[*], or type selection number:

コマンドからも更新されていることが確認できます。

$ python -V
Python 3.11.0rc1

venv で python の環境作成

今回は3.11環境と3.10環境を作成してみます。
まずはvenvを置くディレクトリを作成します。

mkdir ~/venv
cd ~/venv

venvで専用環境を作成します。

$ python3.11 -m venv py311
$ python3.10 -m venv py310
$ ls
py310  py311

環境の出入りは以下です。

$ source ~/venv/py311/bin/activate
(py311) $ pip -V
pip 22.0.2 from /home/user/venv/py311/lib/python3.11/site-packages/pip (python 3.11)
(py311) $ python -V
Python 3.11.0rc1
(py311) $ deactivate
$

2-5. Tensorflowのインストール

環境に入りpipをするだけです。

$ source ~/venv/py311/bin/activate
(py311) $ pip install tensorflow
(py311) $ pip list | grep tensorflow
tensorflow                   2.12.0
tensorflow-estimator         2.12.0
tensorflow-io-gcs-filesystem 0.32.0

2.12.0 が入りました。
TensorflowがGPUを認識しているか確認します。

(py311) $ python -c "from tensorflow.python.client import device_lib; print(device_lib.list_local_devices())"

(略)

[name: "/device:CPU:0"
device_type: "CPU"
memory_limit: 268435456
locality {
}
incarnation: 1318579492501158653
xla_global_id: -1
, name: "/device:GPU:0"
device_type: "GPU"
memory_limit: 9970909184
locality {
  bus_id: 1
  links {
  }
}
incarnation: 15236567976728881023
physical_device_desc: "device: 0, name: NVIDIA GeForce RTX 3060, pci bus id: 0000:01:00.0, compute capability: 8.6"
xla_global_id: 416903419
]

name: "/device:GPU:0" があればGPUを認識しています。

3. VSCodeとの連携

VSCodeからWSLにリモートアクセスし、その上で作業する形で連携させる方式を取ります。
（直接WSL内のvenvをインタープリタに指定できるのが理想でしたがそういう方法はなさそう？でした）

3-1. 拡張機能WSLの追加

WSLにリモートアクセスするための拡張機能をインストールします。
VSCode上の左メニューの拡張機能から、WSL を追加します。

3-2. WSLへのリモートアクセス

VSCode上の左メニューのリモートエクスプローラーから以下を実行します。

WSL ターゲットをプルダウンで選択
Ubuntu-22.04を右クリック
WSLへの接続

新しいウィンドウが開くので、フォルダを開く から作業ディレクトリを開きます。
Windows側のディレクトリは /mnt/ 配下にマウントされているのでそこから選択できます。

3-3. 各種拡張機能のインストール

新しいウィンドウで開かれたVSCode(WSL側)はWindows側とは管理が別なようで、各種拡張機能も別途インストールする必要があります。

3-4. venvとVSCodeの紐づけ

WSL側のVSCode上で ファイル → ユーザー設定 → 設定 を選択し、タブから リモート[WSL: Ubuntu-22.04] を選択します。
その後、検索欄で python.venvPath をいれて ~/venv を設定します。
(~/venv は上で作成したWSL内のvenvのパスです)

設定したらVSCodeを再起動して適当な py ファイルを開きます。
右下から venv で作成したインタープリターが見えていれば紐づけは成功です。

4. sampleプログラム

動作確認用にMNISTのサンプルプログラムを置いておきます。
(参考: Python3の環境でTensorflowのサンプルを動かす(Qiita))

import tensorflow as tf

mnist = tf.keras.datasets.mnist
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()
x_train, x_test = x_train / 255.0, x_test / 255.0

model = tf.keras.models.Sequential(
    [
        tf.keras.layers.Flatten(),
        tf.keras.layers.Dense(512, activation=tf.nn.relu),
        tf.keras.layers.Dropout(0.2),
        tf.keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax),
    ]
)
model.compile(optimizer="adam", loss="sparse_categorical_crossentropy", metrics=["accuracy"])

model.fit(x_train, y_train, epochs=5)
model.evaluate(x_test, y_test)

おわりに

CUDAのバージョンに少し手間取りましたが結構すんなりいけた印象です。
今後は公式ではwindowsはサポートされずにWSL経由になる流れなんでしょうかね。

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Python3.11 + TF2.12 + GPUの環境を構築した(Windows11 + WSL + VSCode)

TensorFlow2.11から tensorflow-gpu がなくなった

1. WSLの準備

1-1. Hyper-V の有効化

1-2. Ubuntuのインストール

1-3. WSLの基本的な使い方

2. WSL上でGPUを使う方法

2-1. NVIDIA ドライバの更新

2-2. Ubuntuの更新

2-3. UbuntuにGPUをセットアップ

CUDAのインストール

cuDNN のインストール

2-4. pythonのインストール

alternatives で python のバージョン管理(オプション)

venv で python の環境作成

2-5. Tensorflowのインストール

3. VSCodeとの連携

3-1. 拡張機能WSLの追加

3-2. WSLへのリモートアクセス

3-3. 各種拡張機能のインストール

3-4. venvとVSCodeの紐づけ

4. sampleプログラム

おわりに

TensorFlow2.11から `tensorflow-gpu` がなくなった