实战 PK！RTX2080Ti 对比 GTX1080Ti 的 CIFAR100 混合精度训练

前言

特别感谢：如果没有来自 Tuatini GODARD（他是我的一名好朋友，同时也是一名活跃的自由职业者）的帮助，这个基准比较工作是不可能完成的。如果你想了解更多关于他的信息，可以阅读这篇访谈：

链接： https://hackernoon.com/interview-with-deep-learning-freelancer-tuatini-godard-e661a3995fb1

还要感谢 Laurae 给这篇文章提出许多有价值的修改建议。

对了，最新版的 fastai（2019 版）刚推出，你们肯定都很感兴趣：可以访问 course.fast.ai

备注：这篇文章并没有接受来自 fastai 的赞助，我只是在上头学习到很多东西。从个人角度来说，如果你是刚开始接触深度学习，强烈向你推荐这个平台。

让我们进入正题。这是一个能够说明 FP16 本质的简单操作演示，并且展示了基于基准测试的混合精度训练是怎么进行的（我承认，大部分时候我只是通过这个向朋友吹嘘我的显卡集群比他的要快，然后才是出于研究目的）。

注意：这并非关乎基准性能比较的文章，而是 2080Ti 与 1080Ti 之间基于 2 builds 的训练时长对比。

对此，文章里会有更详细的介绍。

在此之前，我们先快速浏览一下中子的造型：

FP16 是何方神圣？为何你需要关注它？

简单来说，深度学习是基于 GPU 处理的一堆矩阵操作，操作的背后有赖于 FP32 / 32 位浮点矩阵。

随着新版架构与 CUDA 的发布，FP32 / 32 位浮点矩阵的运算正变得越来越简单。这也意味着，只要使用与过去相比只有一半大小的张量，我们却能通过增加批尺寸（batch_size）来处理更多案例；此外，相比使用 FP32（也被称为 Full Precision Training）进行训练，FP16 可以有效降低 GPU RAM 的使用量。

用简单的英语来表示，就是能够在代码中以 (batch_size)*2 替代 (batch_size)。

FP16 运算的张量核心如今在速度上变得更快了，只需使用少量的 GPU RAM ，就能在速度与性能方面有所提升。

等等，这可没那么简单

我们依然存在半精度问题（这是因为 16 位浮点变量的精度是 32 位浮点变量的一半），说明：

• 更新的权重数据是不精确的。
• 梯度会下溢。
• 无论激活或丢失都可能导致溢出。
• 有明显的精度损失。

接下来，我将和大家谈一谈混合精度训练。

混合精度训练

为了避免上述提及的问题，我们在运行 FP16 的过程中，会在可能导致精度损失的部分及时切换回 FP32。这就是所谓的混合精度训练。

第 1 步：使用 FP16 尽可能加快运算速度：

将输入张量换成 fp16 张量，以加快系统的运行速度。

第 2 步：使用 FP32 计算损耗值（避免下溢/溢出）：

将张量换回 FP32 以计算损耗值，以免出现下溢/溢出的情况。

第 3 步：

先用 FP32 张量进行权重更新，然后再换回 FP16 进行前向与反向迭代。

第4步：通过乘以或除以缩放因子来完成损耗缩放：

通过乘以或除以损耗比例因子来缩放损耗。

总结就是：

fast.ai 上的混合精度训练

正如人们所期待的的，在库中进行混合精确训练有如将

转换成

一样简单。

如果你想了解操作过程当中的细节，可以点进： https://docs.fast.ai/callbacks.fp16.html

该模块允许我们使用 FP16 更改训练过程中的前向与反向迭代，且附有提速效果。

就内部而言，回调函数能确保所有模型参数（除去智能使用 FP32 的 batchnorm layers）都转换成 FP16，且保存了 FP32 副本。FP 32 副本（主参数）主要用于优化器上的更新；FP 16 的参数则用于梯度计算。这些能有效避免低学习率下溢现象的发生。

RTX 2080Ti 与 GTX 1080Ti 的混合精度训练结果对比

设置详情

可以从这里获知笔记本的基准设置

软件设置：

• Cuda 10 + 对应最新版的 Cudnn
• PyTorch + fastai 库（从源头进行编译）
• 最新版的 Nvidia 驱动程序（截至文章撰写时间）

硬件配置：

我们的硬件配置略有不同，对于最终数值要有所保留。

Tuatini 的配置：

• i7-7700K
• 32GB RAM
• GTX 1080Ti（EVGA）

我的配置：

• i7-8700K
• 64GB RAM
• RTX 2080Ti（MSI Gaming Trio X）

由于运算过程并非 RAM 密集型或者 CPU 密集型任务，所以我们选择在此处分享我们的结果。

让我们快速过一遍：

• 输入 CIFAR-100 数据
• 调整图像的大小，启用数据增强
• 在 fastai 支持的所有 Resnet 上运行

预期输出：

• 在所有的混合精度训练测试中取得更好的结果。

图表结果

以下展示的是在各个 ResNets 上的训练时间对比总表。

注意：数值越小越好（X 轴代表秒时间单位与缩放时间）

Resnet 18

体积最小的 Resnet。

• 秒时间单位：

• 性能比例：

Resnet 34

• 秒时间单位：

• 性能比例：

Resnet 50

• 秒时间单位：

• 性能比例：

Resnet 152

• 秒时间单位：

• 性能比例：

使用 Nvidia Apex 进行世界级语言建模工作

为了使混合精度训练与 FP16 训练的实验成为可能，Nvidia 专门发布了一套维护 Nvidia 的实用工具 Nvidia apex，用于简化 Pytorch 中的混合精度训练与分布式训练。Apex 最主要的目的是尽可能快速地为用户提供最新的实用工具。

开源网址： https://github.com/NVIDIA/apex

它通过一些例子向我们展示，不需要经过太多调整便可以直接运行工具——看来又是另一个针对高速旋转的好测试。

语言模型对比：

Github 开源中的例子基于语言建模任务训练了一个多层 RNN（Elman，GRU 或 LSTM）。该训练脚本默认使用 Wikitext-2 数据集。训练模型可以用来生成产生新文本的脚本。

我们其实并不关心测试的生成结果 - 我们主要想比较基于混合精度训练的 30 轮次（epochs）训练例子，以及同样批量大小却是不同设置的全精度训练（Full Precision）。

启用 fp16 就和运行代码时传递「—fp16」参数一样简单，APEX 可以在我们已经设置好的 PyTorch 环境上运行。综合来看，这似乎是个完美的选择。

以下是相关结果：

• 秒时间单位

• 性能比例：

结论

虽然在性能方面 RTX 卡要比 1080Ti 强大得多，尤其就小型网络而言，然而训练时间的差异并不如预期般的明显。

如果你决定尝试混合精度训练，我在这里给你提供几个重点提示：

• 更大批量：

在笔记本基准测试中，我们发现在 batch_size 方面有近乎 1.8 倍的提高，这与我们尝试过的所有 Resnet 示例结果保持一致。

• 速度比全精度训练更快：

我们以结果差距最大的 Resnet 101 为例（用的是 CIFAR-100 数据集），全精度训练在 2080Ti 上的花费时间是混合精度训练的 1.18 倍，在 2080Ti 上的花费时间是混合精度训练的 1.13 倍。即便是体积「较小」的 Resnet34 和 Resnet50，我们发现混合精度训练在训练期间存在小幅度的加速效果。

• 相同的精确值：

我们并未发现混合精度训练导致精确度下降的现象出现。

• 确保你使用最新版的 CUDA（>9）和 Nvidia 驱动程序。

这里需要强调的是，在测试期间，如果环境没更新好是无法运行代码的。

• 多多关注 fastai 和 Nvidia APEX

via https://hackernoon.com/rtx-2080ti-vs-gtx-1080ti-fastai-mixed-precision-training-comparisons-on-cifar-100-761d8f615d7f

AI 科技评论报道