借助 GPU 支持对高维数据进行更快的 Kmeans 聚类

Posted 2023-03-12

【中文标题】借助 GPU 支持对高维数据进行更快的 Kmeans 聚类

【英文标题】：Faster Kmeans Clustering on High-dimensional Data with GPU Support

【发布时间】：2020-02-09 07:01:20

【问题描述】：

我们一直在使用 Kmeans 对我们的日志进行聚类。 一个典型的数据集有 10 个 Mill。具有 100k+ 特征的样本。

为了找到最佳 k - 我们并行运行多个 Kmeans 并选择具有最佳轮廓得分的一个。在 90% 的情况下，我们的 k 值在 2 到 100 之间。 目前，我们正在使用 scikit-learn Kmeans。 对于这样的数据集，在具有 32 个内核和 244 个 RAM 的 ec2 实例上进行聚类大约需要 24 小时。

我目前一直在研究更快的解决方案。

我已经测试过的：

Kmeans + Mean Shift Combination - 稍微好一点（对于 k=1024 --> ~13h），但仍然很慢。

Kmcuda 库 - 不支持稀疏矩阵表示。将需要约 3TB RAM 来将该数据集表示为内存中的密集矩阵。

Tensorflow (tf.contrib.factorization.python.ops.KmeansClustering()) - 今天才开始调查，但要么我做错了，要么我不知道该怎么做煮它。在我对 20k 样本和 500 个特征的第一次测试中，在单个 GPU 上进行聚类比在 1 个线程中的 CPU 上进行聚类要慢。

Facebook FAISS - 不支持稀疏表示。

我的名单上还有 PySpark MlLib Kmeans。但是在 1 个节点上有意义吗？

它会在多个 GPU 上更快地针对我的用例进行训练吗？例如，TensorFlow 与 8 Tesla V-100？

有没有我没听说过的魔法图书馆？

或者只是简单地垂直缩放？

【问题讨论】：

1 个节点中的 pyspark 确实没有意义；看看RAPIDS cuML

@desertnaut 非常感谢。我想这就是我一直在寻找的。​​span>

@desertnaut，你对这个库有什么经验吗？在玩了几天之后，似乎必须将数据集转换为 cudf.Dataframe （GPU对象）。正确的？我无法想象这样的数据集如何适应 GPU 内存。

对不起，我还没有

【参考方案1】：

明智地选择算法。有聪明的算法，也有用于 kmeans 的愚蠢算法。 Lloyd's 是愚蠢的，但迄今为止你会在 GPU 中找到唯一的一个。它通过不必要的计算浪费了大量资源。因为GPU和“大数据”的人不关心资源效率…… 好的算法包括 Elkan's、Hamerly's、Ying-Yang、Exponion、Annulus 等 - 这些算法比 Lloyd's 快很多。

Sklearn 是这里最好的工具之一，因为它至少包含 Elkan 算法。但是，如果我没记错的话，它可能会反复复制您的数据。也许是大块的，所以你不会注意到它。当我将 sklearn 中的 k-means 与我自己在 Python 中的球形 k-means 进行比较时，我的实现速度要快很多倍。我只能使用稀疏优化与我解释这一点，而 sklearn 版本执行密集操作。但也许这已经得到改善。

实施质量很重要。有一篇关于对 k-means 进行基准测试的有趣论文。让我谷歌一下：

Kriegel, H. P., Schubert, E. 和 Zimek, A. (2017)。运行时评估的（黑色）艺术：我们是在比较算法还是实现？知识和信息系统，52(2)，341-378。

它们显示了假设相同的算法可能具有数量级的运行时间差异，具体取决于实现差异。 Spark 在这方面表现不佳......它的开销太高，算法太慢。

您不需要所有数据。

K-means 适用于平均值。随着您添加更多数据，平均值的质量会非常缓慢地提高。因此，使用您拥有的所有数据几乎没有用处。只需使用足够大的样本，结果应该具有几乎相同的质量。您也可以利用它进行播种。首先在较小的集合上运行，然后添加更多数据进行优化。

由于您的数据稀疏，k-means 很可能不是正确的工具。您是否测试过结果的质量？您如何确保适当缩放属性？结果有多少是由向量为 0 的位置而不是由实际的非零值决定的？如此频繁地重新运行 k-means，结果是否真的会有所改善？如果您不再重新运行 k-means 会怎样？如果您只是在 3) 中讨论的样本上运行它会怎样？如果你只选择 k 个随机中心并进行 0 次 k-means 迭代怎么办？你最好的剪影是什么？您可能无法衡量差异，只是白白浪费时间和资源！那么，您如何确保结果的可靠性？

【参考方案2】：

感谢@desertnaut 对RAPIDS cuml 库的建议。

可以关注here.

【讨论】：

您是否将结果（在质量和运行时间方面）与使用单个 CPU、Greg Hamerly github.com/ghamerly/fast-kmeans 的 C++ 实现以及易于拟合的 示例 进行比较进入主内存？

@HasQUIT--Anony-Mousse 不。我以前没见过那个仓库。嗯。奇怪，因为我在网上搜索了很多。但我们最终通过使用更多线程来加速集群。

它支持colab，rapids.ai，这个库看起来不错，为我节省了很多时间。