玩深度学习选哪块英伟达 GPU？有性价比排名还不够！

Posted 2020-10-13 蘭亭客

本文來源地址：https://www.leiphone.com/news/201705/uo3MgYrFxgdyTRGR.html

与“传统” AI 算法相比，深度学习（DL）的计算性能要求，可以说完全在另一个量级上。

而 GPU 的选择，会在根本上决定你的深度学习体验。那么，对于一名 DL 开发者，应该怎么选择合适的 GPU 呢？这篇文章将深入讨论这个问题，聊聊有无必要入手英特尔协处理器 Xeon Phi，并将各主流显卡的性能、性价比制成一目了然的对比图，供大家参考。

先来谈谈选择 GPU 对研究深度学习的意义。更快的 GPU，能帮助新人更快地积累实践经验、更快地掌握技术要领，并把这些应用于新的任务。没有快速的反馈，从错误中学习要花费太高的时间成本，学习深度学习便很可能变成一个令人反胃、进而望而生畏的经历。

是否需要多卡？

出于最初的激动，我走上了多卡交火的不归路——用 40Gbit/s 的 InfiniBand 桥接器连接，我搭建了一个迷你 GPU “集群”，万分激动地试验多卡是否能有更好的表现。

但很快我就发现，让神经网络在多卡上高效地并行处理，其实是一件挺不容易的事。尤其是对于更密集的神经网络，性能的提升可以用一句“不过如此”来形容。通过数据并行化，小型神经网络倒可以很高效地并行处理，但大型的就不行了。比如 Kaggle 竞赛“Partly Sunny with a Chance of Hashtags”，我用深度学习方法拿下了第二名，多卡就基本没有加速效果。

这之后，我继续探索如何在多卡环境玩深度学习。

我开发了一个全新的 8 bit 压缩技术，其模型并行化比起 32 bit 方法要高效得多，尤其是密集或全连接层。但我同时发现，并行化可以让你极度失望——我幼稚地针对一系列问题优化了并行算法，结果发现，即便有优化的特制代码，多 GPU 的并行化仍然效果一般，尤其考虑到投入的大量精力。

在搞并行化之前，你必须要非常了解你的硬件，以及它与深度学习算法的相互支持程度，来估计是否能从并行化获益。

 

这是我的 PC。你看到的是三块泰坦以及 InfiniBand 桥接卡。但这个配置适合深度学习吗？

从那时起，对 GPU 并行的支持越来越常见，但离普及还差得远，更不要提高效地运行。到目前为止，唯一一个能在多卡、多机环境实现高效算法的深度学习框架，是 CNTK。它利用了微软特制的具有 1 bit 量化（高效）和 block momentum（非常高效）的并行化算法。

如果在 96 卡 GPU 集群上运行 CNTK，线性速度预计可达到 90 到 95 倍。PyTorch 或许会是另一个能高效地支持多机并行化的框架，但暂时还没到位。如果你在一台设备上搞并行化，你的选择基本就是 CNTK、Torch 或者 PyTorch。这些框架有不错的加速表现（3.6-3.8 倍），对于一机四卡（最多）有预定义的算法。其他支持并行化的库和框架也存在，但它们要么很慢（比如 TensorFlow，只有两到三倍的加速）；要么对于在多卡环境很难用（比如 Theano）；再要么两个缺点都有。

如果并行化对你很重要，我推荐你用 Pytorch 或 CNTK。

多卡，但不搞并行

多卡的另一个优势是，即便你不对算法做并行化，还可以同时跑多个算法、实验——每个算法在在一个 GPU 上单独运行。你不会获得任何加速，但同时使用不同算法或参数，你会得到更多关于效果表现的信息。如若你的主要目标是尽快积累深度学习经验，这是非常有用处的。对于需要对一个新算法的不同版本做实验的研究人员，这也相当有用。

这是多卡在心理上的价值。处理一个任务与获得结果反馈之间的时间越短，大脑把相关记忆碎片组织起来、建立起该任务知识图的效果就越好。如果数据集不大，你在两块 GPU 上用这些数据同时训练两个卷积网络，你会很快就会知道“一切顺利”的感觉有多好。你会更快地发现交叉验证误差，并做合理解释。你能发现一些线索，让你知道需要添加、移除或调整哪些参数或层。

总的来讲，你可以说对于几乎所有任务，一块 GPU 基本就够了。但用多卡来加速深度学习模型，正在变得越来越重要。如果你的目标是快速入门深度学习，多块便宜的显卡也是不错的。就我个人而言，我更倾向选择多块弱一点的 GPU，而不是一块核弹，对于研究实验也是如此。

应该选哪家的加速器——英伟达 GPU，AMD GPU，还是英特尔 Xeon Phi?

英伟达的标准算法库，使得在 CUDA 中建立第一批深度学习库非常简单。但对于 AMD OpenCL，这样的强大标准库并不存在。现实是，现在 A 卡并没有好用的深度学习库——所以一般人只能选 N 卡。即便将来有了 OpenCL 库，我仍会接着用 N 卡。原因很简单：GPU 通用计算，或者说 GPGPU 的社群基本上是围绕着 CUDA 转的，而没有多少人钻研 OpenCL。因此，在 CUDA 社区，你可以立刻获得好的开源方案和代码建议。

另外，对于深度学习，即便这项技术及其产业尚在襁褓之中，英伟达可谓是全面出击。老黄的投入并没有白费。那些现在才投入资金、精力，想要赶上深度学习风口的公司，由于起步晚，离英伟达的距离有老大一截。当前，使用任何除 NVIDIA-CUDA 之外的软硬件组合玩深度学习，简直是故意跟自己过不去。

至于英特尔 Xeon Phi，官方宣传是你能用标准的 C 语言代码，并轻松把代码转化为加速的 Xeon Phi 代码。该功能听着不错——你也许会想着可以借助海量的 C 语言资源。但实际情况是，只有非常少数的 C 语言代码有支持，而且大部分能用的 C 代码会非常非常的慢。因此，它其实比较鸡肋。

我曾在一个 Xeon Phi 集群工作站搞研究，这期间的经历不忍回想，一把辛酸泪：

我无法运行单位测试，因为 Xeon Phi MKL 和 Python Numpy 不兼容；我不得不重构大部分的代码，因为 Xeon Phi 编译器无法对模板做恰当的 reduction，比如说对 switch statement；我不得不修改 C 界面，因为 Xeon Phi 编译器不支持一些 C++11 功能。

所有这些迫使我在心酸沮丧中重写代码，并且没有单位测试。这过程极度漫长，堪称地狱般的经历。

直到我的代码终于成功执行，但所有东西速度都很慢。有一些问题，搞不清是 bug 还是线程调度程序的原因，总之如果张量大小接连发生改变，性能就会大幅降低。举个例子，如果你有大小不同的全连接层或 dropout 层，Xeon Phi 比 CPU 还要慢。我在独立矩阵乘法上重现了这个问题，并发给英特尔，但没有回音。

所以，如果你真想搞深度学习，离 Xeon Phi 越远越好。

预算有限，怎么挑 GPU？

想到为深度学习挑选 GPU，你脑子里冒出来的第一个问题大概是：最重要的性能参数是什么？Cuda 核心数目？频率？显存大小？

都不是。

对深度学习性能影响最大的参数是显存带宽。

简单来讲，GPU 为显存带宽而优化，为此牺牲了显存读取时间，即延迟。而 CPU 恰恰与此相反——如果只涉及少量内存，它能非常快速地做计算，比如个位数之间的乘法（3*6*9）。但是对于大量内存之上的运作，比如矩阵乘法（A*B*C），CPU 是非常慢的。由于高显存带宽，GPU 就很擅长处理这类问题。当然，CPU 与 GPU 之间有的是微妙细致的区别，这只是非常重要的一个。

因此，如果你想要买一个玩深度学习快的 GPU，首先要看显存带宽。

从显存带宽评估 GPU

 

 

近几年 CPU、GPU 的带宽对比

同一代架构内，GPU 的带宽可以直接比较。比如 Pascal GTX 1080 vs. GTX 1070。单独看显存带宽就可以直接判断它们在深度学习上的性能差距：GTX 1080 (320GB/s) 比 GTX 1070 (256 GB/s) 带宽快 25%，实际情况大约如是。

但不同架构之间，比如 Pascal GTX 1080 vs. Maxwell GTX Titan X，带宽并不能直接比较。这是由于不同的制造工艺对显存带宽的使用情况不同。这使得 GPU 之间的对比会稍嫌棘手。但即便如此，仅仅看带宽还是能大致估出 GPU 的深度学习速度。

另一个需要考虑的因素，是与 cuDNN 的兼容性。并不是所有 GPU 架构都提供支持。几乎所有的深度学习库都借助 cuDNN 进行卷积运算，这会把 GPU 的选项限制到 Kepler 开普勒或之后的架构，即 GTX 600 系列或更新。另外，Kepler GPU 大多很慢。因此，你应该选择 GTX 900 或 1000 系的 GPU 获得理想性能。

为了对每块显卡在深度学习上的性能差异，给大家一个大致估计，我创建了一个简单的条形图。读这张图的姿势很简单。比如说，一个 GTX 980 的速度大约是 0.35 个 Titan X Pascal；或者，一个 Titan X Pascal 几乎比 GTX 980 快三倍。

雷锋网提醒，我自己并没有所有这些显卡，我也并没有在每张显卡上做深度学习跑分评测。这些性能对比，是从显卡参数以及计算评测（与深度学习同一级别的计算任务，比如密码挖掘）中获得。因此，这些只是大略估计。真实数字会有一点变化，但误差应该是极小的，并不会影响排序。

另外需要注意的是，对 GPU 性能利用不足的小型神经网络，会让性能更强的 GPU 在对比中吃亏。比如说，在 GTX 1080 Ti 上跑一个小型 LSTM（128 隐层; batch size > 64），并不会比在 GTX 1070 上快很多。得到下图中的数字，你需要跑更大的神经网络，比如 1024 个隐层的 LSTM（batch size > 64）。

 

GPU 粗略性能对比

性价比分析

如果我们把上图中的显卡性能除以价格，就得到了每张卡的性价比指数，便是下图。它在一定程度上反映出我们的装机推荐。

 

性价比对比

新卡的价格来自美亚，旧卡来自 eBay。雷锋网(公众号：雷锋网)提醒，该图的数字在很多方面都有些些微偏颇。首先，它没有考虑显存大小。通常情况下，你需要比 GTX 1050 Ti 更大的显存来玩深度学习。因此，榜上靠前的部分显卡虽然性价比很高，但是并不实用。

同样的，用四个小 GPU 比用一个大 GPU 要困难得多，因此小 GPU 出于劣势。另外，买 16 个 GTX 1050 Ti 不可能得到四个 GTX 1080 Ti 的性能，你还需要另外买 3 个 PC。如果我们把这一点也考虑进去，上图看上去应该是这样的：

这幅修正过的 GPU 性价比条形图，把其他 PC 硬件的成本也纳入考虑——把可兼容 4 GPU 的高端 PC 平台的成本，定为 $1500。该情况下，如果你想要买许多 GPU，不出意料的，更高端的 GPU 会占优势，因为 PC 平台+ 显卡的整体性价比更高。

但其实，这还是有所偏颇的。不管四个 GTX 1080 Ti 性价比有多高，对普通人而言，这并没有意义——因为买不起。因此，开发者真正感兴趣的应是有限预算里的性价比。针对你的预算，最佳系统选项是什么？你还需要考虑一些其它问题：你计划让这个 GPU 服役多久？几年后，你是要升级 GPU 还是升级整机？将来是否希望出手旧 GPU，回收一些成本，再买个新的？

如果你能平衡多方面的考虑，最后的结论应该与下面的建议介意。

GPU 推荐

通常，我会推荐 GTX 1080 Ti, GTX 1080 或 GTX 1070。如果你的预算足够买 GTX 1080 Ti，就不用犹豫了。GTX 1070 便宜一点，但仍然比上代 GTX Titan X (Maxwell) 要快。相比 GTX 980 Ti，所有这些卡都应该优先考虑，因为更大的显存：11GB、8GB  而不是 6GB。8GB 显存听上去或许不多，但对许多任务是绰绰有余的。对于 Kaggle 竞赛里的大多数图像数据集、deep style 和自然语言理解任务，你基本不会遇到问题。

如果你是第一次尝试深度学习，只是偶尔参加 Kaggle 竞赛，GTX 1060 是最好的入门 GPU。但我不会推荐 3GB 显存的 GTX 1060。

在性价比方面，10 系显卡是相当不错的。GTX 1050 Ti, GTX 1060, GTX 1070, GTX 1080 和 GTX 1080 Ti 都排在前列。GTX 1060 和 GTX 1050 Ti 面向初学者，GTX 1070、GTX 1080 是适合初创公司的多面手，对部分学术研究和产业界也可。GTX 1080 Ti 则是全能高端选项。

我通常不推荐新推出的 Titan Xp，相比其性能，它定价过高，不如选 GTX 1080 Ti。但对于摆弄大型数据集或视频数据的计算机视觉研究人员，Titan Xp 仍然有市场。在这些领域，每一 GB 显存都有价值，而 Titan Xp 比 GTX 1080 Ti 多了 1GB。有了这两者，我不会推荐 Titan X (Pascal) 。

如果你已经有了 GTX Titan X (Maxwell)，想要升级到 Titan Xp。我的建议是：把钱存着买下一代，不值。

如果你预算有限，偏偏又需要 12GB 的内存，可以考虑买个二手的 GTX Titan X (Maxwell) 。

但是，对于大多数研究人员，最好的选项仍然是 GTX 1080 Ti。泰坦的额外 1GB 在大多数情况下没什么影响。

对我个人而言，会选择多个 GTX 1070 或 GTX 1080 来做研究。我宁愿多运行几个慢一点的试验，而不仅仅是运行一个更快的。在 NLP，内存要求并没有计算机视觉那么高，单只 GTX 1070/GTX 1080 对我来说就够了。我需要处理的任务、如何进行试验，决定了对我而言的最佳选择，不管是 GTX 1070 还是 GTX 1080。

对于预算紧张的开发者而言，选择余地非常有限。租 AWS 上的 GPU 实体价格已经太高，还是买自己的 GPU 更划算。我不推荐 GTX 970，不仅慢，二手的价格也不够实惠，而且它还存在显存启动问题。我的建议是加点钱上 GTX 1060，更快、显存更大而且没有毛病。GTX 1060 超出你的预算的话，我建议 4GB 版 GTX 1050 Ti。4GB 显存确实限制比较大，但如果对模型做些修改，仍可以得到还可以的性能表现。对于大多数 Kaggle 竞赛而言，GTX 1050 Ti 是合适的，在少部分比赛可能会影响你的竞争力。

如果你只是私下玩玩深度学习，没打算认真钻研，GTX 1050 Ti 是一个合适的选择。

结论

有了本文中的所有信息，你大概已经能平衡显存大小、带宽、价格等多方面因素，来做出合理的购买决策。现在，我的建议是若预算充足，就上 GTX 1080 Ti, GTX 1080 或 GTX 1070。刚刚上手深度学习、预算有限的话，选 GTX 1060。预算实在有限，那么 GTX 1050 Ti。计算机视觉研究人员可能会需要 Titan Xp。