Tensorflow 与Caffe(转)

Posted 2020-11-09 NLazyo

TensorFlow

TensorFlow 是相对高阶的机器学习库，用户可以方便地用它设计神经网络结构，而不必为了追求高效率的实现亲自写 C++或 CUDA 代码。它和 Theano 一样都支持自动求导，用户不需要再通过反向传播求解梯度。其核心代码和 Caffe 一样是用 C++编写的，使用 C++简化了线上部署的复杂度，并让手机这种内存和CPU资源都紧张的设备可以运行复杂模型（Python 则会比较消耗资源，并且执行效率不高）。除了核心代码的 C++接口，TensorFlow 还有官方的 Python、Go 和 Java 接口，是通过 SWIG（Simplified Wrapper and Interface Generator）实现的，这样用户就可以在一个硬件配置较好的机器中用 Python进行实验，并在资源比较紧张的嵌入式环境或需要低延迟的环境中用 C++部署模型。SWIG 支持给 C/C++代码提供各种语言的接口，因此其他脚本语言的接口未来也可以通过 SWIG 方便地添加。不过使用 Python 时有一个影响效率的问题是，每一个 mini-batch 要从 Python 中 feed 到网络中，这个过程在 mini-batch 的数据量很小或者运算时间很短时，可能会带来影响比较大的延迟。现在 TensorFlow 还有非官方的 Julia、Node.js、R 的接口支持，地址如下。

Julia： http://github.com/malmaud/TensorFlow.jl

Node.js： http://github.com/node-tensorflow/node-tensorflow

R： http://github.com/rstudio/tensorflow

TensorFlow 也有内置的 TF.Learn 和 TF.Slim 等上层组件可以帮助快速地设计新网络，并且兼容 Scikit-learn estimator 接口，可以方便地实现 evaluate、grid search、cross validation 等功能。同时 TensorFlow 不只局限于神经网络，其数据流式图支持非常自由的算法表达，当然也可以轻松实现深度学习以外的机器学习算法。事实上，只要可以将计算表示成计算图的形式，就可以使用 TensorFlow 。用户可以写内层循环代码控制计算图分支的计算，TensorFlow 会自动将相关的分支转为子图并执行迭代运算。TensorFlow 也可以将计算图中的各个节点分配到不同的设备执行，充分利用硬件资源。定义新的节点只需要写一个 Python 函数，如果没有对应的底层运算核，那么可能需要写 C++或者 CUDA 代码实现运算操作。

在数据并行模式上，TensorFlow 和 Parameter Server 很像，但 TensorFlow 有独立的 Variable node，不像其他框架有一个全局统一的参数服务器，因此参数同步更自由。TensorFlow 和 Spark 的核心都是一个数据计算的流式图，Spark 面向的是大规模的数据，支持 SQL 等操作，而 TensorFlow 主要面向内存足以装载模型参数的环境，这样可以最大化计算效率。

TensorFlow 的另外一个重要特点是它灵活的移植性，可以将同一份代码几乎不经过修改就轻松地部署到有任意数量 CPU 或 GPU 的 PC、服务器或者移动设备上。相比于 Theano，TensorFlow 还有一个优势就是它极快的编译速度，在定义新网络结构时，Theano 通常需要长时间的编译，因此尝试新模型需要比较大的代价，而 TensorFlow 完全没有这个问题。TensorFlow 还有功能强大的可视化组件 TensorBoard，能可视化网络结构和训练过程，对于观察复杂的网络结构和监控长时间、大规模的训练很有帮助。TensorFlow 针对生产环境高度优化，它产品级的高质量代码和设计都可以保证在生产环境中稳定运行，同时一旦 TensorFlow 广泛地被工业界使用，将产生良性循环，成为深度学习领域的事实标准。

除了支持常见的网络结构（卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）、循环神经网络（Recurent Neural Network，RNN））外，TensorFlow 还支持深度强化学习乃至其他计算密集的科学计算(如偏微分方程求解等)。TensorFlow 此前不支持 symbolic loop，需要使用 Python 循环而无法进行图编译优化，但最近新加入的 XLA 已经开始支持 JIT 和 AOT，另外它使用 bucketing trick 也可以比较高效地实现循环神经网络。TensorFlow 的一个薄弱地方可能在于计算图必须构建为静态图，这让很多计算变得难以实现，尤其是序列预测中经常使用的 beam search。

TensorFlow 的用户能够将训练好的模型方便地部署到多种硬件、操作系统平台上，支持 Intel 和 AMD 的 CPU，通过 CUDA 支持 NVIDIA 的 GPU （最近也开始通过 OpenCL 支持 AMD 的 GPU，但没有 CUDA 成熟），支持 Linux 和 Mac，最近在 0.12 版本中也开始尝试支持 Windows。在工业生产环境中，硬件设备有些是最新款的，有些是用了几年的老机型，来源可能比较复杂，TensorFlow 的异构性让它能够全面地支持各种硬件和操作系统。同时，其在 CPU 上的矩阵运算库使用了 Eigen 而不是 BLAS 库，能够基于 ARM 架构编译和优化，因此在移动设备（android 和 ios）上表现得很好。

TensorFlow 在最开始发布时只支持单机，而且只支持 CUDA 6.5 和 cuDNN v2，并且没有官方和其他深度学习框架的对比结果。在 2015 年年底，许多其他框架做了各种性能对比评测，每次 TensorFlow 都会作为较差的对照组出现。那个时期的 TensorFlow 真的不快，性能上仅和普遍认为很慢的 Theano 比肩，在各个框架中可以算是垫底。但是凭借 Google 强大的开发实力，很快支持了新版的 cuDNN （目前支持cuDNN v5.1），在单 GPU 上的性能追上了其他框架。表 2-3 所示为 https://github.com/soumith/convnet-benchmarks 给出的各个框架在 AlexNet 上单 GPU 的性能评测。

表2-3 各深度学习框架在 AlexNet 上的性能对比

目前在单 GPU 的条件下，绝大多数深度学习框架都依赖于 cuDNN，因此只要硬件计算能力或者内存分配差异不大，最终训练速度不会相差太大。但是对于大规模深度学习来说，巨大的数据量使得单机很难在有限的时间完成训练。这时需要分布式计算使 GPU 集群乃至 TPU 集群并行计算，共同训练出一个模型，所以框架的分布式性能是至关重要的。TensorFlow 在 2016 年 4 月开源了分布式版本，使用 16 块 GPU 可达单 GPU 的 15 倍提速，在 50 块 GPU 时可达到 40 倍提速，分布式的效率很高。目前原生支持的分布式深度学习框架不多，只有 TensorFlow、CNTK、DeepLearning4J、MXNet 等。不过目前 TensorFlow 的设计对不同设备间的通信优化得不是很好，其单机的 reduction 只能用 CPU 处理，分布式的通信使用基于 socket 的 RPC，而不是速度更快的 RDMA，所以其分布式性能可能还没有达到最优。

Google 在 2016 年 2 月开源了 TensorFlow Serving，这个组件可以将 TensorFlow 训练好的模型导出，并部署成可以对外提供预测服务的 RESTful 接口，如图 2-2 所示。有了这个组件，TensorFlow 就可以实现应用机器学习的全流程：从训练模型、调试参数，到打包模型，最后部署服务，名副其实是一个从研究到生产整条流水线都齐备的框架。这里引用 TensorFlow 内部开发人员的描述：“ TensorFlow Serving 是一个为生产环境而设计的高性能的机器学习服务系统。它可以同时运行多个大规模深度学习模型，支持模型生命周期管理、算法实验，并可以高效地利用 GPU 资源，让 TensorFlow 训练好的模型更快捷方便地投入到实际生产环境”。除了 TensorFlow 以外的其他框架都缺少为生产环境部署的考虑，而 Google 作为广泛在实际产品中应用深度学习的巨头可能也意识到了这个机会，因此开发了这个部署服务的平台。TensorFlow Serving 可以说是一副王牌，将会帮 TensorFlow 成为行业标准做出巨大贡献。

图2-2 TensorFlow Serving 架构

TensorBoard 是 TensorFlow 的一组 Web 应用，用来监控 TensorFlow 运行过程，或可视化 Computation Graph。TensorBoard 目前支持五种可视化：标量（scalars）、图片（images）、音频（audio）、直方图（histograms）和计算图（Computation Graph）。TensorBoard 的 Events Dashboard 可以用来持续地监控运行时的关键指标，比如 loss、学习速率（learning rate）或是验证集上的准确率（accuracy）；Image Dashboard 则可以展示训练过程中用户设定保存的图片，比如某个训练中间结果用 Matplotlib 等绘制（plot）出来的图片；Graph Explorer 则可以完全展示一个 TensorFlow 的计算图，并且支持缩放拖曳和查看节点属性。TensorBoard 的可视化效果如图 2-3 和图 2-4 所示。

图2-3 TensorBoard 的 loss 标量的可视化

图2-4 TensorBoard 的模型结构可视化

TensorFlow 拥有产品级的高质量代码，有 Google 强大的开发、维护能力的加持，整体架构设计也非常优秀。相比于同样基于 Python 的老牌对手 Theano，TensorFlow 更成熟、更完善，同时 Theano 的很多主要开发者都去了 Google 开发 TensorFlow（例如书籍 Deep Learning 的作者 Ian Goodfellow，他后来去了 OpenAI）。Google 作为巨头公司有比高校或者个人开发者多得多的资源投入到 TensorFlow 的研发，可以预见，TensorFlow 未来的发展将会是飞速的，可能会把大学或者个人维护的深度学习框架远远甩在身后。

Caffe

官方网址：http://caffe.berkeleyvision.org/

GitHub：http://github.com/BVLC/caffe

Caffe 全称为 Convolutional Architecture for Fast Feature Embedding，是一个被广泛使用的开源深度学习框架（在 TensorFlow 出现之前一直是深度学习领域 GitHub star 最多的项目)，目前由伯克利视觉学中心（Berkeley Vision and Learning Center，BVLC）进行维护。Caffe 的创始人是加州大学伯克利的 Ph.D.贾扬清，他同时也是TensorFlow的作者之一，曾工作于 MSRA、NEC 和 Google Brain，目前就职于 Facebook FAIR 实验室。Caffe 的主要优势包括如下几点。

• 容易上手，网络结构都是以配置文件形式定义，不需要用代码设计网络。

• 训练速度快，能够训练 state-of-the-art 的模型与大规模的数据。

• 组件模块化，可以方便地拓展到新的模型和学习任务上。

Caffe 的核心概念是 Layer，每一个神经网络的模块都是一个 Layer。Layer 接收输入数据，同时经过内部计算产生输出数据。设计网络结构时，只需要把各个 Layer 拼接在一起构成完整的网络（通过写 protobuf 配置文件定义）。比如卷积的 Layer，它的输入就是图片的全部像素点，内部进行的操作是各种像素值与 Layer 参数的 convolution 操作，最后输出的是所有卷积核 filter 的结果。每一个 Layer 需要定义两种运算，一种是正向（forward）的运算，即从输入数据计算输出结果，也就是模型的预测过程；另一种是反向（backward）的运算，从输出端的 gradient 求解相对于输入的 gradient，即反向传播算法，这部分也就是模型的训练过程。实现新 Layer 时，需要将正向和反向两种计算过程的函数都实现，这部分计算需要用户自己写 C++或者 CUDA （当需要运行在 GPU 时）代码，对普通用户来说还是非常难上手的。正如它的名字 Convolutional Architecture for Fast Feature Embedding 所描述的，Caffe 最开始设计时的目标只针对于图像，没有考虑文本、语音或者时间序列的数据，因此 Caffe 对卷积神经网络的支持非常好，但对时间序列 RNN、LSTM 等支持得不是特别充分。同时，基于 Layer 的模式也对 RNN 不是非常友好，定义 RNN 结构时比较麻烦。在模型结构非常复杂时，可能需要写非常冗长的配置文件才能设计好网络，而且阅读时也比较费力。

Caffe 的一大优势是拥有大量的训练好的经典模型（AlexNet、VGG、Inception）乃至其他 state-of-the-art （ResNet等）的模型，收藏在它的 Model Zoo （http://github.com/BVLC/ caffe/wiki/Model-Zoo）。因为知名度较高，Caffe 被广泛地应用于前沿的工业界和学术界，许多提供源码的深度学习的论文都是使用 Caffe 来实现其模型的。在计算机视觉领域 Caffe 应用尤其多，可以用来做人脸识别、图片分类、位置检测、目标追踪等。虽然 Caffe 主要是面向学术圈和研究者的，但它的程序运行非常稳定，代码质量比较高，所以也很适合对稳定性要求严格的生产环境，可以算是第一个主流的工业级深度学习框架。因为 Caffe 的底层是基于 C++的，因此可以在各种硬件环境编译并具有良好的移植性，支持 Linux、Mac 和 Windows 系统，也可以编译部署到移动设备系统如 Android 和 iOS 上。和其他主流深度学习库类似，Caffe 也提供了 Python 语言接口 pycaffe，在接触新任务，设计新网络时可以使用其 Python 接口简化操作。不过，通常用户还是使用 Protobuf 配置文件定义神经网络结构，再使用 command line 进行训练或者预测。Caffe 的配置文件是一个 JSON 类型的 .prototxt 文件，其中使用许多顺序连接的 Layer 来描述神经网络结构。Caffe 的二进制可执行程序会提取这些 .prototxt 文件并按其定义来训练神经网络。理论上，Caffe 的用户可以完全不写代码，只是定义网络结构就可以完成模型训练了。Caffe 完成训练之后，用户可以把模型文件打包制作成简单易用的接口，比如可以封装成 Python 或 MATLAB 的 API 。不过在 .prototxt 文件内部设计网络节构可能会比较受限，没有像 TensorFlow 或者 Keras 那样在 Python 中设计网络结构方便、自由。更重要的是，Caffe 的配置文件不能用编程的方式调整超参数，也没有提供像 Scikit-learn 那样好用的 estimator 可以方便地进行交叉验证、超参数的 Grid Search 等操作。Caffe 在 GPU 上训练的性能很好（使用单块 GTX 1080 训练 AlexNet 时一天可以训练上百万张图片），但是目前仅支持单机多 GPU 的训练，没有原生支持分布式的训练。庆幸的是，现在有很多第三方的支持，比如雅虎开源的 CaffeOnSpark，可以借助 Spark 的分布式框架实现 Caffe 的大规模分布式训练。