PyCUDA のインストール，PyCUDA のプログラム例（Windows 上）

Windows環境での PyCUDA のインストールと使用方法を説明している．コマンドプロンプトを管理者として実行し，pipを使用してインストールする．公式サイトのサンプルプログラムを用いて，PyCUDA の主要機能を紹介している．サンプルプログラムの実行結果も示しており，PyCUDA の基本的な使用方法を理解するのに有用である．

【目次】

前準備
pycuda のインストール手順
PyCUDA のプログラム例（公式サイトのプログラムを利用）

PyCUDA

PyCUDA は NVIDIA CUDA APIにアクセスできるようにするライブラリ

pip を用いたインストールコマンド: python -m pip install -U pycuda

【関連する外部ページ】

PyCUDA の公式ページ: https://mathema.tician.de/software/pycuda/

【関連項目】 NVIDIA CUDA

前準備

Python 3.12 のインストール

Pythonのインストールを行い、Pythonのプログラムを実行する環境を整える。扱う環境は、Windows搭載パソコンである。金子研究室では、Python 3.12.10を推奨する。

[Windows での Python 3.12 のインストール手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Python 3.12 のインストール

以下のいずれかの方法でPython 3.12をインストールする。Pythonがインストール済みの場合、この手順は不要である。

方法 1：winget によるインストール

【インストールコマンドの実行方法】

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。そして、コマンド全体をコマンドプロンプトにコピー＆ペーストする。

--scope machine を指定することで、システム全体（全ユーザー向け）にインストールされる。このオプションの実行には管理者権限が必要である。インストール完了後、コマンドプロンプトを再起動するとPATHが反映される。

REM Python 3.12 をシステム領域にインストール
winget install --id Python.Python.3.12 -e --scope machine --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet InstallAllUsers=1 PrependPath=1 Include_test=0 Include_pip=1 Include_launcher=1 InstallLauncherAllUsers=1 TargetDir=\"C:\Program Files\Python312\""
if not "%ERRORLEVEL%"=="0" ( color 0c & echo Python 3.12 のインストールに失敗しました & ping 127.0.0.1 -n 6 >nul & color )

REM Python と Scripts を PATH 先頭に追加
powershell -NoProfile -Command "$p='C:\Program Files\Python312'; $s=\"$p\Scripts\"; if(Test-Path $p){$k=[Microsoft.Win32.Registry]::LocalMachine.OpenSubKey('SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\Environment',$true); $c=$k.GetValue('Path','',[Microsoft.Win32.RegistryValueOptions]::DoNotExpandEnvironmentNames); $t=$k.GetValueKind('Path'); $new=$c; if((';'+$new+';') -notlike \"*;$p;*\"){$new=$p+';'+$new}; if((';'+$new+';') -notlike \"*;$s;*\"){$new=$s+';'+$new}; if($new -ne $c){$k.SetValue('Path',$new,$t)}; $k.Close()}"

REM 現在のセッションにも反映（システムPATHを再取得して連結）
for /f "usebackq tokens=2,*" %A in (`reg query "HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\Environment" /v Path`) do set "PATH=%B"

REM pip / wheel の更新
python -m pip install --no-user -U pip wheel
if not "%ERRORLEVEL%"=="0" ( color 0c & echo pip / wheel の更新に失敗しました & ping 127.0.0.1 -n 6 >nul & color )

方法 2：インストーラーによるインストール

Python公式サイト（https://www.python.org/downloads/）にアクセスし、「Download Python 3.x.x」ボタンからWindows用インストーラーをダウンロードする。
ダウンロードしたインストーラーを実行する。
初期画面の下部に表示される「Add python.exe to PATH」にチェックを入れてから「Customize installation」を選択する。このチェックを入れ忘れると、コマンドプロンプトから python コマンドを実行できない。
「Install Python 3.xx for all users」にチェックを入れ、「Install」をクリックする。

インストールの確認

コマンドプロンプトで以下を実行する。

python --version

バージョン番号（例：Python 3.12.x）が表示されればインストール成功である。「'python' は、内部コマンドまたは外部コマンドとして認識されていません。」と表示される場合は、インストールが正常に完了していない。

Git のインストール（Windows 上） [クリックして展開]

管理者権限のコマンドプロンプトで以下を実行する．管理者権限は，winget の --scope machine オプションでシステム全体にインストールするために必要となる．

REM Git をシステム領域にインストール
winget install --scope machine --id Git.Git -e --silent --disable-interactivity --force --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/VERYSILENT /NORESTART /NOCANCEL /SP- /CLOSEAPPLICATIONS /RESTARTAPPLICATIONS /COMPONENTS=""icons,ext\reg\shellhere,assoc,assoc_sh"" /o:PathOption=Cmd /o:CRLFOption=CRLFCommitAsIs /o:BashTerminalOption=MinTTY /o:DefaultBranchOption=main /o:EditorOption=VIM /o:SSHOption=OpenSSH /o:UseCredentialManager=Enabled /o:PerformanceTweaksFSCache=Enabled /o:EnableSymlinks=Disabled /o:EnableFSMonitor=Disabled"

Build Tools for Visual Studio 2026（ビルドツール）のインストール

Build Tools for Visual Studio 2026（ビルドツール）のインストールを行い、C/C++ コードのビルド環境を整える。

[Build Tools for Visual Studio 2026（ビルドツール）のインストール手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Build Tools for Visual Studio 2026 のインストール

Build Tools for Visual Studio は，Visual Studio の IDE を含まない C/C++ コンパイラ，ライブラリ，ビルドツール等のコマンドライン向け開発ツールセットである。インストール済みの場合，この手順は不要である。

以下のコマンドは、Build Tools が未インストールの場合は winget で新規インストールし、インストール済みの場合は setup.exe modify でコンポーネントを追加する（バージョンは変更しない）。

【インストールコマンドの実行方法】

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する（手順：Windows キーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。そして、コマンド全体をコマンドプロンプトにコピー＆ペーストする。

REM ============================================================
REM Visual C++ 再頒布可能パッケージ (VCRedist 2015-)
REM ============================================================
winget install --scope machine --id Microsoft.VCRedist.2015+.x64 -e --silent --disable-interactivity --force --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet /norestart"
if not "%ERRORLEVEL%"=="0" ( color 0c & echo VCRedist のインストールに失敗しました & ping 127.0.0.1 -n 6 >nul & color )

REM ============================================================
REM Visual Studio Build Tools + Desktop development with C++
REM （VCTools、MSBuildTools、CMake連携、Clang、Windows 11 SDK）
REM ============================================================
REM 進行中のインストーラーを停止（ロック競合回避。対象プロセスが存在しない場合は
REM taskkillがエラーを返すが、これは想定内であるため出力のみ抑制する）
taskkill /F /IM vs_setup.exe /T >nul 2>&1
taskkill /F /IM vs_installer.exe /T >nul 2>&1
taskkill /F /IM vs_installerservice.exe /T >nul 2>&1
taskkill /F /IM msiexec.exe /T >nul 2>&1

REM Build Tools + Desktop development with C++（VCTools）+ 追加コンポーネント（一括）
REM 未インストール時: winget で新規インストール
REM インストール済み時: setup.exe modify でコンポーネント追加（バージョンは変更しない）
winget list --id Microsoft.VisualStudio.BuildTools 2>nul | findstr /i "BuildTools" >nul 2>&1
if %ERRORLEVEL% EQU 0 (
    for /f "usebackq delims=" %P in (`"C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\Installer\vswhere.exe" -products Microsoft.VisualStudio.Product.BuildTools -property installationPath`) do start /wait "" "C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\Installer\setup.exe" modify --installPath "%P" --add Microsoft.VisualStudio.Workload.VCTools --add Microsoft.VisualStudio.Workload.MSBuildTools --add Microsoft.VisualStudio.Component.VC.CMake.Project --add Microsoft.VisualStudio.Component.VC.Llvm.Clang --add Microsoft.VisualStudio.Component.VC.Llvm.ClangToolset --add Microsoft.VisualStudio.Component.Windows11SDK.26100 --add Microsoft.VisualStudio.Component.VC.v143.x86.x64 --includeRecommended --quiet --norestart --nocache
    if not "%ERRORLEVEL%"=="0" ( color 0c & echo Build Tools のコンポーネント追加に失敗しました & ping 127.0.0.1 -n 6 >nul & color )
) else (
    winget install --scope machine --id Microsoft.VisualStudio.BuildTools -e --silent --disable-interactivity --force --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "--quiet --wait --norestart --nocache --add Microsoft.VisualStudio.Workload.VCTools --includeRecommended --add Microsoft.VisualStudio.Workload.MSBuildTools --add Microsoft.VisualStudio.Component.VC.CMake.Project --add Microsoft.VisualStudio.Component.VC.Llvm.Clang --add Microsoft.VisualStudio.Component.VC.Llvm.ClangToolset --add Microsoft.VisualStudio.Component.Windows11SDK.26100 --add Microsoft.VisualStudio.Component.VC.v143.x86.x64"
    if not "%ERRORLEVEL%"=="0" ( color 0c & echo Build Tools のインストールに失敗しました & ping 127.0.0.1 -n 6 >nul & color )
)

REM
REM BuildTools のインストールパスを vswhere.exe で取得（メジャーバージョンに依存しない）
set "VSWHERE=C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\Installer\vswhere.exe"
set "BT_PATH="
for /f "usebackq delims=" %P in (`"%VSWHERE%" -products Microsoft.VisualStudio.Product.BuildTools -property installationPath`) do set "BT_PATH=%P"
if not defined BT_PATH ( color 0c & echo Build Tools のインストールパスを取得できませんでした & ping 127.0.0.1 -n 6 >nul & color )

REM 破損時の修復（任意、動作がおかしくなった場合）
REM if defined BT_PATH "C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\Installer\setup.exe" repair --installPath "%BT_PATH%" --quiet --norestart
REM 導入確認（インストールパスが表示されれば正常）
"%VSWHERE%" -products * -requires Microsoft.VisualStudio.Workload.VCTools -property installationPath

上記のコマンドでは、Build Tools 本体と Visual C++ 再頒布可能パッケージをインストールし、続いて以下のコンポーネントを追加している。

VCTools：C++ デスクトップ開発ワークロード（--includeRecommended により、MSVC コンパイラ、C++ AddressSanitizer、vcpkg、CMake ツール、Windows 11 SDK 等の推奨コンポーネントが含まれる）
MSBuildTools：MSBuild によるビルドツールのワークロード
VC.CMake.Project：Windows 向け C++ CMake ツール
VC.Llvm.Clang：Windows 向け C++ Clang コンパイラ
VC.Llvm.ClangToolset：MSBuild から Clang を使用するための clang-cl ツールセット
Windows11SDK.26100：Windows 11 SDK（ビルド 10.0.26100）

追加のコンポーネントが必要になった場合は Visual Studio Installer で個別にインストールできる。

インストール完了の確認

winget list Microsoft.VisualStudio.BuildTools

Visual Studio を必要とするとき

Visual Studio の機能を必要とする場合は，追加インストールできる。

NVIDIA CUDA Toolkit 12.8のインストール

前提条件（NVIDIA CUDA Toolkit インストール前）: NVIDIA GPU，NVIDIA ドライバ，および Build Tools for Visual Studio もしくは Visual Studio が必要である．
インストール中の注意: なるべく他のウインドウはすべて閉じておくこと．

以下のコマンドを管理者権限のコマンドプロンプトで実行する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。

REM NVIDIA CUDA Toolkit 12.8 をシステム領域にインストール
winget install --scope machine --id Nvidia.CUDA --version 12.8 -e --silent --disable-interactivity --force --uninstall-previous --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "-s -n"

REM 環境変数TEMP, TMPの設定（一時ファイルの保存先を短いパスに変更）
mkdir C:\TEMP
set "TEMP_PATH=C:\TEMP"
setx TEMP "%TEMP_PATH%" /M >nul
setx TMP "%TEMP_PATH%" /M >nul

PyCUDA のインストール（Windows 上）

次のコマンドを管理者権限のコマンドプロンプトで実行する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。

次のコマンドは，pycuda をインストールするものである．

python -m pip install pycuda

【関連する外部ページ】

PyCUDA の公式ページ: https://mathema.tician.de/software/pycuda/

PyCUDA のプログラム例（公式サイトのプログラムを利用）

試しに、https://documen.tician.de/pycuda/ で公開されているサンプルプログラムを動かしてみる．

以下の操作をx64 Native Tools コマンドプロンプト (x64 Native Tools Command Prompt)で実行する　　（手順：スタートメニュー → 「Visual C++ Build Tools」の下の「x64 Native Tools コマンドプロンプト (x64 Native Tools Command Prompt)」を選ぶ）。
「x64 Native Tools コマンドプロンプト」がないときは，ビルドツール (Build Tools) をインストールすると，x64 Native Tools コマンドプロンプトもインストールされる．その手順は，別ページ »で説明している．

Python プログラムの実行

python

次の Python プログラムを実行する

import pycuda.autoinit
import pycuda.driver as drv
import numpy

from pycuda.compiler import SourceModule
mod = SourceModule("""
__global__ void multiply_them(float *dest, float *a, float *b)
{
  const int i = threadIdx.x;
  dest[i] = a[i] * b[i];
}
""", options=['-allow-unsupported-compiler'])

multiply_them = mod.get_function("multiply_them")

a = numpy.random.randn(400).astype(numpy.float32)
b = numpy.random.randn(400).astype(numpy.float32)

dest = numpy.zeros_like(a)
multiply_them(
        drv.Out(dest), drv.In(a), drv.In(b),
        block=(400,1,1), grid=(1,1))

print(dest-a*b)

PyCUDA の主な機能

公式チュートリアル https://documen.tician.de/pycuda/tutorial.html#getting-started に掲載されているプログラムと実行結果を紹介

GPU上でのメモリ確保とデータ転送

import pycuda.driver as cuda
import pycuda.autoinit
import numpy as np

# データ準備
a = np.random.randn(4, 4).astype(np.float32)

# GPU上でメモリ確保
a_gpu = cuda.mem_alloc(a.nbytes)

# データをGPUに転送
cuda.memcpy_htod(a_gpu, a)

# GPUからデータを取得して確認
a_result = np.empty_like(a)
cuda.memcpy_dtoh(a_result, a_gpu)
print("Original data:", a)
print("Data after GPU transfer:", a_result)

カーネル関数の実行

import pycuda.driver as cuda
import pycuda.autoinit
import numpy as np
from pycuda.compiler import SourceModule

mod = SourceModule("""
__global__ void double_array(float *a)
{
    int idx = threadIdx.x + threadIdx.y*4;
    a[idx] *= 2;
}
""", options=['-allow-unsupported-compiler'])

# データ準備
a = np.random.randn(4, 4).astype(np.float32)

# GPU上でメモリ確保
a_gpu = cuda.mem_alloc(a.nbytes)

# データをGPUに転送
cuda.memcpy_htod(a_gpu, a)

func = mod.get_function("double_array")
func(a_gpu, block=(4, 4, 1))

# 結果を確認
a_doubled = np.empty_like(a)
cuda.memcpy_dtoh(a_doubled, a_gpu)
print("Original array:", a)
print("Doubled array:", a_doubled)

準備済み呼び出し (Prepared Invocations)

import pycuda.driver as cuda
import pycuda.autoinit
import numpy as np
from pycuda.compiler import SourceModule

# カーネル関数の定義
mod = SourceModule("""
__global__ void double_array(float *a)
{
    int idx = threadIdx.x + threadIdx.y*4;
    a[idx] *= 2;
}
""", options=['-allow-unsupported-compiler'])

# 関数の取得
func = mod.get_function("double_array")

# データの準備
a = np.random.randn(4, 4).astype(np.float32)
a_gpu = cuda.mem_alloc(a.nbytes)
cuda.memcpy_htod(a_gpu, a)

# 関数の準備と呼び出し
func.prepare("P")
func.prepared_call((1, 1), (4, 4, 1), a_gpu)

# 結果の取得と表示
a_result = np.empty_like(a)
cuda.memcpy_dtoh(a_result, a_gpu)
print("Original array:", a)
print("Result using prepared call:", a_result)

GPUArrayを使用した簡略化

import pycuda.driver as cuda
import pycuda.autoinit
import pycuda.compiler as compiler
import pycuda.gpuarray as gpuarray
import numpy as np

# コンパイラオプションを設定
compiler.DEFAULT_NVCC_FLAGS.append('-allow-unsupported-compiler')

# GPUArrayの作成と計算
a_gpu = gpuarray.to_gpu(np.random.randn(4, 4).astype(np.float32))
a_doubled = (2 * a_gpu).get()

print("Original GPUArray:")
print(a_gpu)
print("\nDoubled GPUArray:")
print(a_doubled)