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第 12 屆 iT 邦幫忙鐵人賽

DAY 8
1
AI & Data

Knock Knock! Deep Learning系列 第 8

Day 7 / PyTorch / 深度學習框架之亂

前一週我們很快速但不馬虎的帶過 Deep Learning 的基礎,包含概念、數學原理、和穩定訓練的方法,接著就要實際上手啦!

如果前面介紹的數學對你來說有點吃力,那不用擔心,因為已經有很多開源的 deep learning framework(深度學習框架) 可以使用,他們把數學邏輯和運算優化都處理好,而我們只要負責設計 model 的架構,再運用他們提供的 API,即可方便快速的建立 network 開始進行訓練。

如果想挑戰自己,也可以試著用 numpy 自己寫出 deep learning 的小框架喔。非常推薦想要內化前面所學內容的朋友這麼做。可以參考 Stanford 兩門課的作業 CS224n Assignment 2CS231n Assignment 1, 2 來開頭。

你可能會問,啊都有這些好用的框架了,我們為什麼還要這麼囉唆學這些數學?因為沒有背後這些數學知識,很難架構出一個比別人好的框架,也不知道出錯要 debug 的時候中間這些 parameter 顯示出什麼問題,因為你根本不知道他們是怎麼得出來的。

本系列文主要介紹的是 PyTorch 這個 Facebook 在 2017 開源的框架,是個語法簡潔、好上手、且在學術界流行的框架。很多大學的 deep learning 相關課程,現在作業也漸漸移植到 PyTorch。

事實上在 PyTorch 出現之前,最流行的框架就屬 Google 開源的 TensorFlow 了。此外還有很多其他流派,Keras、MXNET、Caffe 等等。在進入 PyTorch 的介紹之前,先來簡單認識各大框架的發展和優缺點吧!也更加了解為什麼我們選擇 PyTorch。

Theano

Theano

Theano 是個很早期的 framework,從 Montreal Institute for Learning Algorithms (MILA) 也就是學術界發展出來的,也是最早使用 computation graph 概念來設計 framework 的。Computation graph 的概念等一下會提到。

在 2017 年,作者發表停止 major development,主因是太多業界的競爭對手了。感覺學界發展出來的 framework 大多成為業界的啟發或原型,開發維護者肯定比不上業界團隊多,不過雖然大部分都淹沒在洪流中,但還算是活在其他 framework 裡。

後來由 PyMC 接手維護,他們家好像是做 probabilistic machine learning 的 library,不知道為什麼還不肯移植到其他 framework。

Caffe & Caffe2

Caffe

Caffe 是一位 Berkeley 的 PhD 開發出來的,盛行過一段時間。之後由 Facebook 發展的 Caffe2 已經和 PyTorch 合流

滿特別的是 model 是用 protobuf 來定義,也就是開一個文件檔寫 network 的架構和 hyper-parameter,而不是用寫程式定義。

優點是速度快、CNN 支援好、(早期有)community 支援,缺點是除了 CNN 外的支援頗糟、extensibility 差

至於 Caffe2 速度快、scalability 好、且輕量,和 PyTorch 著重 flexibility 和快速開發互補,也讓他們在 2018 年的時候整合。

CNN 是 Convolutional Neural Network,主要適用來建立 computer vision 相關的 model,之後會介紹到。

ONNX

ONNX

ONNX (Open Neural Network Exchange) 其實不算是 framework,而是一個多方 machine learning model 可以共同遵守的 representation format,讓遵守 format 的不同 framework 可以很容易的互相轉換,增加彈性和互補能力。

當初是由 Facebook 和 Microsoft 在 2017 年提出,支援的 framework 包括 PyTorch、MXNet、TensorFlow 等等。

MXNET

MXNET

MXNET 是在 2015 年由一群 researcher 提出,目前背後沒有大公司撐腰主力開發,只知道 Amazon Web Service 是最知名的採用者。

優點是速度快、flexibility 好、scalability 佳、語法簡潔,缺點是 RNN 支援度差、doc 跟 community 支援也差

其實明顯的缺點找不到太多,只是 community 小算滿致命的,以致於新手卡關不容易找到解決辦法。可能也跟沒有大公司主力維護有關,解 issue 不能領薪水這種博愛的工作應該很少人願意做。

Keras & TensorFlow

TensorFlow
Keras

KerasTensorFlow 都是在 2015 年提出,後來在 2017 年由 Google 主導整併,現在是一家人了。會整併當然是因為互有不足啦。

Keras 的優點是非常容易上手、community support 佳,把很多東西都包好好給大家使用,但也因此缺點是 flexibility 差,想要加入他沒提供的 feature 很難。

TensorFlow 的優點是功能多、廣大 community 支援、提供 TensorBoard 視覺化工具,缺點是艱澀囉唆的語法和太底層的接口

舉例來說 [2],建立一個 convolutional layer,TensorFlow 會這樣寫:

kernel = tf.Variable(tf.truncated_normal([3, 3, 64, 64], type=tf.float32, stddev=1e-1), name='weights')
conv = tf.nn.conv2d(self.conv1_1, kernel, [1, 1, 1, 1], padding='SAME')
biases = tf.Variable(tf.constant(0.0, shape=[64], dtype=tf.float32), trainable=True, name='biases')
out = tf.nn.bias_add(conv, biases)
self.conv1_2 = tf.nn.relu(out, name='block1_conv2')

但用了包好好的 Keras 會這樣寫:

x = Convolution2D(64, 3, 3, activation='relu', border_mode='same', name='block1_conv2')(x)

能用第二種語法的話應該沒人想用第一種吧?

此外 TensorFlow 還有 Session、GradientTape、PlaceHolder 這些很不直觀的概念和命名方式,我想大概是讓 2017 崛起的 PyTorch 迎頭趕上的原因吧。

後來整併 Keras 後 TensorFlow 為人詬病的使用難度改善許多。或許當初因為 TensorFlow 艱澀難懂的語法而選擇其他 framework 的人(對就是我)可以回頭考慮看看。

早期的 TensorFlow 還有個缺點是採用 static computation graph,大概類似你先用程式碼寫好一張 network 的草圖,送進去讓 TensorFlow 建立架構,然後再餵 data 訓練。優點是建立的架構可以盡情優化和重複使用,但缺點就是不能在訓練的過程中變動架構。光是 input 大小不一樣的 data 就會造成架構上的改變,雖然有 workaround 但很麻煩,也加深上手難度。另外跑的過程中如果出錯,也很難在中途設個暫停點 debug。這些對於新手是大為不利。

有鑒於此,TensorFlow 2.0 發佈後則是加入了 Eager Execution,提供 dynamic computation graph 的選項,讓你可以邊訓練邊建立和調整架構。

雖然說 TensorFlow 你汲取教訓慢慢改進是很好啦,但怎麼感覺整體越來越像 PyTorch 老對手了!

Torch & PyTorch

PyTorch
Torch

Torch 早於 2002 年建立,於 2018 年宣布停止主要開發。他採用較為少見的 Lua 為主要語言,雖然與底層的 C 語言可以很容易結合是優點,但太少人使用 Lua 以致於慢慢沒落。

而後以 Torch 為基礎打造的 PyTorch 於 2017 年由 Facebook 釋出。因為他語法簡潔易懂、採用 dynamic computation graph、擁有完善的 doc,讓他漸漸建立起自己的 community,常用於學術界需要快速建立 model 做實驗。

PyTorch vs TensorFlow in research usage
—— PyTorch vs TensorFlow 在學術會議的採用率。[6]

雖然在學術界獲得掌聲,但因為起步晚,在不太願意改變自己的業界,採用的 framework 還是以 TensorFlow 為大宗。同時也是因為 PyTorch 採用 dynamic computation graph 的關係,早期會對 mobile 有支援不佳的問題(因為沒辦法轉成小一點的 binary code 塞進手機)。

現在 PyTorch 也提出了一些改進,例如 TorchScript 可以把 PyTorch code 轉成另一種形式(類似於 static computation graph),而這種形式不需要安裝 Python 就能被執行,也解決了前述的問題。

也就是說 PyTorch 其實也慢慢往 TensorFlow 的方向改進,而現在兩者其實主要功能、語法、和實用度都非常接近了,但一塊分食學術界大餅,另一塊分食業界大餅。

而本系列文採用 PyTorch,一來當然因為作者我比較熟悉,二來後面會介紹比較多學術 paper,三來他對於自身的問題解法比 TensorFlow 簡潔,四來對於 PyTorch 的未來還是比較值得期待的。畢竟再怎麼慢,業界都要跟著 research 走,特別是在 machine learning 這一塊!

Checkpoint

  • Static computation graph 和 dynamic computation graph 有什麼差異和優缺點?
  • TensorFlow 和 PyTorch 分別提出了什麼解法改進各自採用的 computation graph 原本帶來的缺陷?

參考資料

註:某些參考資料是為了理解歷史脈絡,稍嫌過時,閱讀的時候請注意年份,deep learning 的資訊很快就過期了。

  1. Top 8 Deep Learning Frameworks
  2. Deep learning frameworks: TensorFlow, Theano, Keras, Torch, Caffe
  3. Tensorflow vs Pytorch - Comparison, Features & Applications
  4. Deep Learning Frameworks Comparison – Tensorflow, PyTorch, Keras, MXNet, The Microsoft Cognitive Toolkit, Caffe, Deeplearning4j, Chainer
  5. Comparison between Deep Learning Tools
  6. ? The State of Machine Learning Frameworks in 2019

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