選自myrtle.ai

機器之心編譯機器之心編輯部

26 秒內用 ResNet 訓練 CIFAR10？一塊 GPU 也能這么干。近日，myrtle.ai 科學家 David Page 提出了一大堆針對數(shù)據(jù)預處理、模型架構、訓練和測試方面的優(yōu)化方法，有了它們，加速訓練你也可以。

運行速度和算力一直是制約深度學習模型發(fā)展的瓶頸。研究人員一直在研究如何能夠進一步提升模型的訓練和推斷速度，并減少對硬件性能的依賴。今日，一位名為 David Page 的 myrtle.ai 科學家和他的團隊對 ResNet 訓練進行了一系列改造，將在單 GPU 上訓練 CIFAR10 數(shù)據(jù)集并達到 94% 準確率所需的時間減少到了 26 秒，比 DAWNBench 排行榜現(xiàn)在的第一名高了 10 秒以上。這一項目獲得了 Jeff Dean 的點贊。

myrtle.ai 研究科學家 David Page 的推特，獲得了 Jeff Dean 的點贊。

• colab地址：https://colab.research.google.com/github/davidcpage/cifar10-fast/blob/master/bag_of_tricks.ipynb
• 博客地址：https://myrtle.ai/how-to-train-your-resnet-8-bag-of-tricks/

DAWNBench 是斯坦福大學提出的一個基準測試，用于衡量端到端深度學習訓練和推斷的運行時間和。計算時間和消耗是構建深度學習模型中重要的問題，因此提出這一測試的科學家希望能夠提供量化評價模型訓練時間、訓練消耗、推斷延遲時間和推斷消耗的開支的方法。并根據(jù)不同的優(yōu)化策略、模型架構、軟件框架和硬件等指標來進行測算。

以上為目前的 DAWNBechmark，排名最高的模型用時 37 秒。

在經過一系列的調優(yōu)之后，研究者的單 GPU 實現(xiàn)超越了頂級的多 GPU 的訓練和推斷速度，相比于最初在單 GPU 的 SOTA 水平上實現(xiàn)了 10 倍的改進?，F(xiàn)在，研究者已經把時間降至 26 秒了，而目前排名最高的模型訓練 CIFAR10 數(shù)據(jù)集需要 37 秒。

作者表示，他們此次發(fā)布的主要目標是提供一個用于測試新技術、經過良好調整的基線，允許用戶在幾分鐘內在單個 GPU 上完成統(tǒng)計上數(shù)量顯著的訓練。

既然訓練只需要 26 秒，那么中間肯定會有一系列操作來降低訓練時間。作者在技術博客中公開并分析了這些技巧。每當使用一個，訓練的所需的 Epoch 數(shù)量就可以減少，在保證準確率為 94% 的情況下，研究者一步步減少了所需的 Epoch 數(shù)量，使得模型的訓練速度逐漸上升。

以下為每個方法使用后訓練花費的時間。隨著應用的方法越來越多，達到 94% 測試準確率的訓練時間也越來越短。

• GPU 上進行數(shù)據(jù)預處理 (70s)
• 更換最大池化順序 (64s)
• 標簽平滑化 (59s)
• 使用 CELU 激活函數(shù) (52s)
• 幽靈批歸一化 (46s)
• 固定批歸一化的縮放 (43s)
• 輸入 patch 白化 (36s)
• 指數(shù)移動平均時間 (34s)
• 測試狀態(tài)增強 (26s)

26 秒訓練的 ResNet 效果怎么樣

既然單塊 GPU 下訓練速度快了這么多，那么效果是不是同樣優(yōu)秀？研究者表示，如果這些技巧能同時強化驗證準確度，那么這表示他們也能用來加速更通用的 ImageNet。

研究者經過一些調參，并從 24 個 Epoch 到 100 個 Epoch 同時測試了基線模型與實驗模型。最終每一次實驗都做了 5 組，并得到以下訓練曲線：

由于 DAWNBench 只需要準確度達到 94% 就可以了，因此 26 秒訓練的模型已經達到了要求。此外，研究者 9 層的 ResNet 運行 80 個 Epoch 后能達到 96.1%，而且他們還沒有進行更多的優(yōu)化。當然，26 秒只是訓練 10 個 Epoch 的時間。研究人員表示，如果繼續(xù)訓練到 70 個 Epoch，那么準確率還能增加到 96%。

下文為每一個優(yōu)化技巧的介紹和帶來的速度提升。

在 GPU 上進行數(shù)據(jù)預處理(70 秒)

研究者首先進行了一些代碼優(yōu)化的工作。根據(jù)早期的提交結果日志顯示，他們在數(shù)據(jù)預處理上浪費了 3 秒鐘的時間。

而將整個數(shù)據(jù)集(以 uint8 的格式)移動到 GPU 花費的時間可以忽略不計(40ms)，而且 GPU 完成整個預處理工作甚至更快(15ms)。所以主要的時間消耗在了將處理過的數(shù)據(jù)集移動回 CPU，這一過程消耗了半秒鐘。

因此，盡管之前提升被浪費掉的 3 秒是個進步，但是還是有另外的提升空間。這是因為數(shù)據(jù)在分批和增強后依然會重新被傳回 GPU 上，導致每個 Epoch 都會有些延遲。研究人員認為，他們需要在 GPU 上進行數(shù)據(jù)增強方面的操作，用于跳過數(shù)據(jù)傳遞的步驟。

這是可以做到的，但是需要謹慎操作。研究者的操作非常簡單，只需要 35 行代碼(不依賴 Pytorch DataLoaders)。以下為一些隨機圖像增強的結果。

相比以前提供的結果，如果將數(shù)據(jù)預處理放到 GPU 上，那么總體訓練時間可以降到 70 秒以內，相當于讓 18 年提交的結果前進了兩位。

調整最大池化層(64 秒)

最大池化往往在激活函數(shù)(如 ReLU)的后面進行。但是如果首先進行池化會更高效。在一個卷積-池化塊中，研究者調換了激活函數(shù)和池化的順序。

改變這一順序在 24 個 Epoch 訓練時間中減少了 3 秒的時間，而且不改變網絡計算的所有函數(shù)。進一步的，研究人員嘗試將池化放在卷積層之后，進一步提升了運算效率。但是由于這樣會影響網絡的結構，也會造成準確率的降低。

盡管準確率降低，但最多只需要訓練一個 Epoch 就能達到這個準確率。因此適當減少準確率，減少 Epoch 的情況下，總體上能夠降低訓練時間。從積極的方面來說，這樣減少了 5 秒的訓練時間，使得訓練時間減少到了 64s，相當于目前排行榜的第三位了。

標簽平滑化(59 秒)

標簽平滑化是一個很成熟的方法，用于提升訓練速度和神經網絡在分類問題上的泛化能力。這個方法包括將 one-hot 目標概率和分類標簽在交叉熵損失中的均勻分布混合。

測試準確率提升到了 94.2%(50 次運行的平均值)。而減少了 Epoch 的數(shù)量后，訓練 23 個 Epoch 的準確率就達到了 94.1%，但是訓練時間降到了 1 分鐘以下。

CELU 激活函數(shù)(52 秒)

研究人員希望優(yōu)化過程能夠更好，因此他們使用了一個更為平滑的激活函數(shù)，而不是像 ReLU 這樣過渡不夠平滑的函數(shù)。這樣可能會幫助模型提升泛化能力.。

在這里研究人員使用了 CELU(Continuously Differentiable Exponential Linear Unit)作為平滑的激活函數(shù)，而且 PyTorch 有相應的實現(xiàn)。

這樣提升了模型的測試準確率，達到了 94.3%。使得模型進一步地減少了 3 個訓練 Epoch，并在 20 個 Epcoh 的時間中(52 秒)達到了 94.1% 的準確率。

「幽靈」批歸一化(46 秒)

批歸一化(BN)似乎在批量大小為 32 的時候效果最好，而研究者的批大小為 512。此外，如果不想嚴重影響訓練效果，那么他們就不能降低批量大小。因此，研究者將批歸一化獨立地應用到各批量數(shù)據(jù)的子集中。這一技術，就被稱之為「幽靈」批歸一化，它通常用于分布式訓練中，但如果單節(jié)點運算的批量數(shù)據(jù)太大，那么也能用這樣的技術。

該方法在到 20 個 Epoch 能達到 94.2% 的測試準確率。因為訓練變得更加短，提升學習率對最終的效果應該是有幫助的。如果研究者將最大學習率增大 50%，他們能實現(xiàn) 94.1% 的準確率，且還只需要 18 個 Epoch，這樣訓練時間也降低到了 46 秒。

固定批歸一化的縮放(43 秒)

如果批歸一化的通道縮放尺寸有很大變化，這可能會減少有效的通道數(shù)量。讓我們來看看這些參數(shù)在訓練中的動態(tài)變化：

這兩張圖展示了很多信息，但比較重要的是縮放尺寸(scale)并沒有太大的變化，這表明它不怎么學習，很大程度上都是根據(jù)權重衰減的控制來更新。因此我們可以嘗試固定這些變量，采用常數(shù) 1/4 來代替它，其中 1/4 表示訓練中間點的均值。

最后，研究者根據(jù)增加的準確率將 Epoch 數(shù)量降低到 17，新的測試準確率還保持在 94.1%。現(xiàn)在，該模型已經超過了排名第二的 BaiduNet9P，它的訓練時間只需要 43 秒。

輸入 patch 白化

控制內層的協(xié)方差、利用批歸一化的白化版本可能有所幫助，但需要額外的計算和艱難的實現(xiàn)工作。因此，研究者著眼于輸入層上較為簡單的問題。

17 個 epoch 之后，測試準確率躍升至 94.4%，使得訓練時間可以縮短 2 個 epoch。15 個 epoch 在 39 秒內將準確率提升至 94.1%。

如果進一步將最大學習率提升 50% 左右，同時將裁剪增強從 8×8 降到 5×5，以彌補高學習率帶來的額外正則化，我們可以再縮減一個 epoch，在 36 秒內實現(xiàn) 94.1% 的測試準確率。

指數(shù)移動平均操作(34 秒)

為了提高準確率，研究者每 5 個 batch 更新一次移動平均時間，因為他們發(fā)現(xiàn)，即使更新地更加頻繁，準確率也沒有什么提升。他們需要選擇一個新的學習率計劃，越接近訓練結束，學習率越高，同時動量參數(shù)也會采用指數(shù)移動平均操作。

測試準確率提升到了 94.3%，因此可以進一步縮減 epoch。13 個 epoch 訓練使得模型的測試準確率達到了 94.1%，訓練時間低于 34s，比該系列開始時的單 GPU 水平提高了 10 倍。

降低測試時間(26 秒)

前面主要都是降低訓練時間，但最后的測試過程也能做進一步的優(yōu)化而降低所需時間。這里，研究者主要應用了測試狀態(tài)增強(Test-time augmentation，TTA)。

為了與當前 DAWNBench 提交數(shù)值保持一致，研究者將這一技術限制在僅進行水平翻轉的操作上，并找到了準確率和推斷消耗中間的平衡點。在現(xiàn)有的網絡和 13 個 Epoch 的訓練下，測試準確率達到了 94.6%。

因此研究人員移除了對剩余數(shù)據(jù)的增強操作，因為這是針對訓練而非測試步驟的，因此他們將訓練減少到了 10 個 epoch，而且在 26 秒鐘達到了測試狀態(tài)增強準確率——94.1%。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的深度学习训练的时候gpu占用0_26秒单GPU训练CIFAR10，Jeff Dean也点赞的深度学习优化技巧...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。