手写体数字识别该如何选择GPU并实现？DeepLearning4j 实战

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：

● 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） ● 读取Mnist二进制文件（和之前的博客内容一致） ● CNN的定义，这里我还是用的LeNet ● 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。