我的深度学习工作站

很多人觉得深度学习上手非常困难，让我们看看，对于程序员来说，着手深度学习的实践需要准备什么样的工具。

硬件

从硬件来讲，我们可能需要的计算能力，首先想到的就是CPU。除了通常的CPU架构以外，还出现了附加有乘法器的CPU，用以提升计算能力。此外在不同领域会有DSP的应用场景，比如手写体识别、语音识别、等使用的专用的信号处理器。还有一类就是GPU，这是一个目前深度学习应用比较热门的领域。最后一类就是FPGA（可编程逻辑门阵列）。

为什么是GPU？简单来说就是性能的表现导致这样的结果。随着CPU的不断发展，工艺水平逐步提高，我们开始担心摩尔定律会不会失效。但是GPU的概念横空出世，NVIDIA 的CEO 黄仁勋得意的宣称摩尔定律没有失效。我们看到最近几年，GPU处理能力的提升是非常惊人的。今年发布的Nvidia P100的处理能力已经达到令人恐怖的效果。

与CPU处理能力做一个对比，虽然CPU的主频要远远高过GPU的主频，例如目前GPU在主频在0.5GHz到1.4gHz，处理单元达到3584个；而且最常见的CPU，比如Intel的处理器，大约只有20几个处理单元。这种差别是仅仅在处理单元的数量上就已经存在了巨大的差别。所以深度学习具备大量处理能力计算要求的情况下，GPU无疑具有非常强大的优势。

今年的中秋节假期，我为自己DIY了一台深度学习工作站。起因是我买了一块GeForce GTX 1070显卡，准备做一些深度学习领域的尝试。因为我的老的电脑上PCIe 2.0 的插槽无法为新的显卡供电。不得已之下，只好更新了全部设备，于是就组装了一台我自己的深度学习工作站。

除了自己去DIY一个深度学习工作站这个选项之外，另外一个选择就是采用云计算环境所提供的计算资源。不久之前 AWS 发布了最新一款深度学习的EC2实例类型，叫做p2。

这个实例的类型使用了NVIDIA 的 K80的GPU，包括三种不同规格，第一种2xlarge，第二种是8xlarge，第三种是16xlarge。以p2.16xlarge为例，提供了16块K80 GPU ，GPU 显存达到了192G，并行处理单元的数量达到了惊人的39,936个。

当你在考虑去开发一个应用、去着手进行深度学习尝试的时候，我建议大家可以试试这种方式，这个选择可以很轻松的帮助我们计算资源以及硬件上各种麻烦的问题。

这是我前天为这次分享而准备的一个AWS 上p2的实例。仅仅通过几条命令就完成了实例的更新、驱动的安装和环境的设置，总共的资源创建、设置时间大概在10分钟以内。而之前，我安装调试前面提到的那台计算机，足足花了我两天时间。

另外，从成本上还可以做一个对比。p2.8xLarge 实例每小时的费用是7.2美元。而我自己那台计算机总共的花费了是¥16,904元。这个成本足够让我使用350多个小时的p2.8xLarge。在一年里使用AWS深度学习站就可以抵消掉我所有的付出。随着技术的不断的升级换代，我可以不断的升级我的实例，从而可以用有限的成本获得更大、更多的处理资源。这其实也是云计算的价值所在。

云计算和深度学习究竟有什么关系？今年的8月8号，在IDG网站上发表了一篇文章谈到了这个话题。文章中做了这样一个预言：如果深度学习的并行能力不断提高，云计算所提供的处理能力也不断发展，两者结合可能会产生新一代的深度学习，将带来更大影响和冲击。

软件

深度学习除了硬件的基础环境之外。程序员会更关心与开发相关的软件资源。这里我罗列了一些曾经使用过的软件框架和工具。

• Scikit-learn是最为流行的一个Python机器学习库。它具有如下吸引人的特点：简单、高效且异常丰富的数据挖掘/数据分析算法实现； 基于NumPy、SciPy以及matplotlib，从数据探索性分析，数据可视化到算法实现，整个过程一体化实现；开源，有非常丰富的学习文档。
• Caffe专注在卷及神经网络以及图像处理。不过Caffe已经很久没有更新过了。这个框架的一个主要的开发者贾扬清也在今年跳槽去了Google。也许曾经的霸主地位要让位给他人了。
• Theano 是一个非常灵活的Python 机器学习的库。在研究领域非常流行，使用上非常方便易于定义复杂的模型。Tensorflow 的API 非常类似于Theano。我在今年北京的QCon 大会上也分享过关于Theano 的话题。
• Jupyter notebook 是一个很强大的基于ipython的python代码编辑器，部署在网页上，可以非常方便的进行交互式的处理，很适合进行算法研究合数据处理。
• Torch 是一个非常出色的机器学习的库。它是由一个比较小众的lua语言实现的。但是因为LuaJIT 的使用，程序的效率非常出色。Facebook在人工智能领域主打Torch，甚至现在推出了自己的升级版框架Torchnet。

深度学习的框架非常之多，是不是有一种乱花渐欲迷人眼的感觉？我今天向各位程序员重点介绍的是将是TensorFlow。这是2015年谷歌推出的开源的面向机器学习的开发框架，这也是Google第二代的深度学习的框架。很多公司都使用了TensorFlow开发了很多有意思的应用，效果很好。

用TensorFlow可以做什么？答案是它可以应用于回归模型、神经网络以深度学习这几个领域。在深度学习方面它集成了分布式表示、卷积神经网络(CNN)、递归神经网络(RNN) 以及长短期记忆人工神经网络（Long-Short Term Memory, LSTM）。

关于Tensorflow 首先要理解的概念就是Tensor。在辞典中对于这个词的定义是张量，是一个可用来表示在一些向量、标量和其他张量之间的线性关系的多线性函数。实际上这个表述很难理解，用我自己的语言解释Tensor 就是“N维数组”而已。

使用 TensorFlow, 作为程序员必须明白 TensorFlow这样几个基础概念：它使用图 (Graph) 来表示计算任务；在被称之为 会话 (Session) 的上下文 (context) 中执行图；使用 Tensor 表示数据；通过 变量 (Variable) 维护状态；使用 feed 和 fetch 可以为任意的操作(arbitrary operation) 赋值或者从其中获取数据。

一句话总结就是，TensorFlow 就是有状态图的数据流图计算环境，每个节点就是在做数据操作，然后提供依赖性和指向性，提供完整数据流。

TensorFlow安装非常简单，但官网提供下载的安装包所支持的CUDA 的版本是7.5。考虑到CUDA 8 的让人心动的新特以及不久就要正式发布的现状。或许你想会考虑立即体验CUDA 8，那么就只能通过编译Tensorflow源代码而获得。目前TensorFlow已经支持了Python2.7、3.3+。

此外，对于使用Python 语言的程序员还需要安装所需要的一些库，例如：numpy、protobuf等等。对于卷积处理而言，cuDNN是公认的性能最好的开发库，请一定要安装上。常规的Tensorsorflow的安装很简单，一条命令足矣：

$ pip3 install —upgrade https://storage.googleapis.com/tensorflow/linux/cpu/tensorflow-0.11.0rc0-cp35-cp35m-linux_x86_64.whl

如果想评估一下或者简单学习一下，还可以通过Docker进行安装，安装的命令如下：

$ docker run -it -p 8888:8888 gcr.io/tensorflow/tensorflow

TensorFlow有很多优点。首先，目前为止，深度学习的开发框架里面TensorFlow的文档做的最好，对程序员学习而言是非常好的一点。第二，TensorFlow有丰富的参考实例，作为参考学习起来非常容易。

第三，开发者社区活跃，在任何一个深度学习的社区里，都有大量关于TensorFlow的讨论。第四，谷歌的支持力度非常大，从2015年到现在升级速度非常快，这是其他开源框架远远达不到的结果。

参考TensorFlow的白皮书，我们会看到未来TensorFlow还将会有巨大的发展潜力。让我特别感兴趣是这两个方向。第一，支持跨多台机器的 parallelisation。尽管在0.8版本中推出了并行化的能力，但是目前还不完善。随着未来不断发展，依托云计算的处理能力的提升这个特性将是非常让人振奋的。

第二，支持更多的开发语言，对于开发者来说这是一个绝大的利好，通过使用自己擅长的语言使用TensorFlow应用。这些开发语言将会扩展到Java、Lua以及R 等。

在这里我想给大家展示一个应用Tensorflow 的例子。这个例子的代码托管在这个网址上 https://github.com/anishathalye/neural-style。白俄罗斯的现代印象派艺术家Leonid Afremov善于用浓墨重彩来表现都市和风景题材，尤其是其雨景系列作品。他习惯用大色块的铺陈来营造光影效果，对反光物体和环境色的把握非常精准。

于是我就找到了一张上海东方明珠电视塔的一张摄影作品，我希望通过Tensorflow 去学习一下Leonid Afremov 的绘画风格，并将这张东方明珠的照片处理成那种光影色彩丰富的作品风格。利用Tensorflow 以及上面提到的那个项目的代码，在一个AWS 的p2类型的实例上进行了一个一千次的迭代，于是就得到了下图这样的处理结果。

这个处理的代码只有350行里，模型使用了一个成名于2014年ImageNet比赛中的明星 VGG。这个模型非常好，特点就是“go depper”。

TensorFlow 做出这样的作品，并不仅仅作为娱乐供大家一笑，还可以做更多有意思的事情。将刚才的处理能力推广到视频当中，就可以看到下图这样的效果，用梵高著名的作品”星月夜“的风格就加工成了这样新的视频风格。

可以想象一下，如果这种处理能力在更多领域得以应用，它会产生什么样的神奇结果？前景是美好的，让我们有无限遐想。事实上我们目前所从事的很多领域的应用开发都可以通过使用神经网络和深度学习来加以改变。对于深度学习而言，掌握它并不是难事。每一个程序员都可以很容易的掌握这种技术，利用所具备的资源，让我们很快成为深度学习的程序开发人员。

结束语

未来究竟是什么样，我们没有办法预言。有位作家Ray Kurzweil在2005年写了《奇点临近》一书。在这本书里面他明确告诉我们，那个时代很快到来。作为那个时代曙光前的人群，我们是不是有能力加速这个过程，利用我们学习的能力实现这个梦想呢？