DeepLearning4j 实战——手写体数字识别GPU实现与性能比较

Posted 2020-09-18 wangongxi

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Eclipse Deeplearning4j Github：https://github.com/eclipse/deeplearning4j

在之前的博客中已经用单机、Spark分布式两种训练的方式对深度神经网络进行训练，但其实DeepLearning4j也是支持多GPU训练的。这篇文章我就总结下用GPU来对DNN/CNN进行训练和评估过程。并且我会给出CPU、GPU和多卡GPU之前的性能比较图表。不过，由于重点在于说明Mnist数据集在GPU上训练的过程，所以对于一些环境的部署，比如Java环境和CUDA的安装就不再详细说明了。

软件环境的部署主要在于两个方面，一个是JDK的安装，另外一个是CUDA。目前最新版本的DeepLearning4j以及Nd4j支持CUDA-8.0，JDK的话1.7以上。

环境部署完后，分别用java -version和nvidia-smi来确认环境是否部署正确，如果出现类似以下的信息，则说明环境部署正确，否则需要重新安装。

GPU配置：

Java环境截图：

从系统返回的信息可以看到，jdk是openJDK1.7，GPU是2张P40的卡。

下面说明下代码的构成：

由于我这里用了DeepLearning4j最新的版本--v0.8，所以和之前博客的pom文件有些修改，具体如下：

 

<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
  <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
  <groupId>DeepLearning</groupId>
  <artifactId>DeepLearning</artifactId>
  <version>2.0</version>
  
  <properties>
    <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
    <nd4j.version>0.8.0</nd4j.version>
  	<dl4j.version>0.8.0</dl4j.version>
  	<datavec.version>0.8.0</datavec.version>
  	<scala.binary.version>2.11</scala.binary.version>
  </properties>
  
 <dependencies>
	   <dependency>
	     <groupId>org.nd4j</groupId>
	     <artifactId>nd4j-native</artifactId> 
	     <version>${nd4j.version}</version>
	   </dependency>
	   <dependency>
	        <groupId>org.deeplearning4j</groupId>
	        <artifactId>deeplearning4j-core</artifactId>
	        <version>${dl4j.version}</version>
	    </dependency>
	    <dependency>
		 <groupId>org.nd4j</groupId>
		 <artifactId>nd4j-cuda-8.0</artifactId>
		 <version>${nd4j.version}</version>
		</dependency>
		<dependency>
            <groupId>org.deeplearning4j</groupId>
            <artifactId>deeplearning4j-parallel-wrapper_${scala.binary.version}</artifactId>
            <version>${dl4j.version}</version>
        </dependency>
  	</dependencies>
  <build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
            <artifactId>maven-jar-plugin</artifactId>
            <version>2.4</version>
            <configuration>
            	<source>1.7</source> 
				<target>1.7</target> 
                <archive>
                    <manifest>
                        <mainClass>cn.live.wangongxi.cv.CNNMnist</mainClass>
                    </manifest>
                </archive>
            </configuration>
        </plugin>
    </plugins>
</build>
</project>

 

创建完Maven工程以及添加了上面POM文件的内容之后，就可以开始着手上层应用逻辑的构建。这里我参考了官网的例子，具体由以下几个部分构成：

 

1.初始化CUDA的环境（底层逻辑包括硬件检测、CUDA版本校验和一些GPU参数）

2.读取Mnist二进制文件（和之前的博客内容一致）

3.CNN的定义，这里我还是用的LeNet

4.训练以及评估模型的指标

首先贴一下第一部分的代码：

 

    	//精度设置，常用精度有单、双、半精度
    	//HALF ： 半精度
    	DataTypeUtil.setDTypeForContext(DataBuffer.Type.HALF);
    	//FLOAT : 单精度
    	//DataTypeUtil.setDTypeForContext(DataBuffer.Type.FLOAT);
    	//DOUBLE : 双精度
    	//DataTypeUtil.setDTypeForContext(DataBuffer.Type.DOUBLE);

    	//创建CUDA上下文实例并设置参数
        CudaEnvironment.getInstance().getConfiguration()
        	//是否允许多GPU
            .allowMultiGPU(false)
            //设置显存中缓存数据的容量，单位：字节
            .setMaximumDeviceCache(2L * 1024L * 1024L * 1024L)
            //是否允许多GPU间点对点(P2P)的内存访问
            .allowCrossDeviceAccess(false);

通常我们需要根据需要来设置GPU计算的精度，常用的就像代码中写的那样有单、双、半精度三种。通过选择DataBuffer中定义的enum类型Type中的值来达到设置精度的目的。如果不设置，默认的是单精度。

 

再下面就是设置CUDA的一些上下文参数，比如代码中罗列的cache数据的显存大小，P2P访问内存和多GPU运行的标志位等等。对于网络结构相对简单，数据量不大的情况下，默认的参数就够用了。这里我们也只是简单设置了几个参数，这对于用LeNet来训练Mnist数据集来说已经足够了。

从2~4部分的逻辑和之前的博客里几乎是一样的，就直接上代码了：

 

        int nChannels = 1;
        int outputNum = 10;

        int batchSize = 128;
        int nEpochs = 10;
        int iterations = 1;
        int seed = 123;

        log.info("Load data....");
        DataSetIterator mnistTrain = new MnistDataSetIterator(batchSize,true,12345);
        DataSetIterator mnistTest = new MnistDataSetIterator(batchSize,false,12345);

        log.info("Build model....");
        MultiLayerConfiguration conf = new NeuralNetConfiguration.Builder()
            .seed(seed)
            .iterations(iterations)
            .regularization(true).l2(0.0005)
            .learningRate(.01)
            .weightInit(WeightInit.XAVIER)
            .optimizationAlgo(OptimizationAlgorithm.STOCHASTIC_GRADIENT_DESCENT)
            .updater(Updater.NESTEROVS).momentum(0.9)
            .list()
            .layer(0, new ConvolutionLayer.Builder(5, 5)
                .nIn(nChannels)
                .stride(1, 1)
                .nOut(20)
                .activation(Activation.IDENTITY)
                .build())
            .layer(1, new SubsamplingLayer.Builder(SubsamplingLayer.PoolingType.MAX)
                .kernelSize(2,2)
                .stride(2,2)
                .build())
            .layer(2, new ConvolutionLayer.Builder(5, 5)
                .stride(1, 1)
                .nOut(50)
                .activation(Activation.IDENTITY)
                .build())
            .layer(3, new SubsamplingLayer.Builder(SubsamplingLayer.PoolingType.MAX)
                .kernelSize(2,2)
                .stride(2,2)
                .build())
            .layer(4, new DenseLayer.Builder().activation(Activation.RELU)
                .nOut(500).build())
            .layer(5, new OutputLayer.Builder(LossFunctions.LossFunction.NEGATIVELOGLIKELIHOOD)
                .nOut(outputNum)
                .activation(Activation.SOFTMAX)
                .build())
            .setInputType(InputType.convolutionalFlat(28,28,1))
            .backprop(true).pretrain(false).build();
        MultiLayerNetwork model = new MultiLayerNetwork(conf);
        model.init();
        log.info("Train model....");
        model.setListeners(new ScoreIterationListener(100));
        long timeX = System.currentTimeMillis();

        for( int i=0; i<nEpochs; i++ ) {
            long time1 = System.currentTimeMillis();
            model.fit(mnistTrain);
            long time2 = System.currentTimeMillis();
            log.info("*** Completed epoch {}, time: {} ***", i, (time2 - time1));
        }
        long timeY = System.currentTimeMillis();

        log.info("*** Training complete, time: {} ***", (timeY - timeX));

        log.info("Evaluate model....");
        Evaluation eval = new Evaluation(outputNum);
        while(mnistTest.hasNext()){
            DataSet ds = mnistTest.next();
            INDArray output = model.output(ds.getFeatureMatrix(), false);
            eval.eval(ds.getLabels(), output);
        }
        log.info(eval.stats());

        log.info("****************Example finished********************");

以上逻辑就是利用一块GPU卡进行Mnist数据集进行训练和评估的逻辑。如果想在多GPU下进行并行训练的话，需要修改一些设置，例如在之前第一步的创建CUDA环境上下文的时候，需要允许多GPU和P2P内存访问，即设置为true。然后在逻辑里添加并行训练的逻辑：

 

 

        ParallelWrapper wrapper = new ParallelWrapper.Builder(model)
            .prefetchBuffer(24)
            .workers(4)
            .averagingFrequency(3)
            .reportScoreAfterAveraging(true)
            .useLegacyAveraging(true)
            .build();

这样如果有多张GPU卡就可以进行单机多卡的并行训练。

 

下面贴一下训练Mnist数据集在CPU/GPU/多GPU下的性能比较还有训练时候的GPU使用情况：

单卡训练截图：

双卡并行训练截图：

训练时间评估：

最后做下简单的总结。由于Deeplearning4j本身支持GPU单卡，多卡以及集群的训练方式，而且对于底层的接口都已经进行了很多的封装，暴露的接口都是比较hig-level的接口，一般设置一些属性就可以了。当然前提是硬件包括CUDA都要正确安装。