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作者丨機(jī)器之心

來(lái)源丨機(jī)器之心

編輯丨極市平臺(tái)

導(dǎo)讀

GPU 對(duì) 2 的冪次的 batch 可以發(fā)揮更好性能？今天來(lái)打破這個(gè)認(rèn)知！著名機(jī)器學(xué)習(xí)博主用理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：選擇批大小作為 2 的冪或 8 的倍數(shù)在實(shí)踐中會(huì)并不會(huì)產(chǎn)生明顯的差異。

我們知道，batch size 決定了深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程中，完成每個(gè) epoch 所需的時(shí)間和每次迭代（iteration）之間梯度的平滑程度。batch size 越大，訓(xùn)練速度則越快，內(nèi)存占用更大，但收斂變慢。

又有一些理論說(shuō)，GPU 對(duì) 2 的冪次的 batch 可以發(fā)揮更好性能，因此設(shè)置成 16、32、64、128 … 時(shí)，往往要比設(shè)置為其他倍數(shù)時(shí)表現(xiàn)更優(yōu)。

后者是否是一種玄學(xué)？似乎很少有人驗(yàn)證過(guò)。最近，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校助理教授，著名機(jī)器學(xué)習(xí)博主 Sebastian Raschka 對(duì)此進(jìn)行了一番認(rèn)真的討論。

前言

關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，我認(rèn)為我們都犯了這樣的錯(cuò)誤：我們選擇批量大小為 2 的冪，即 64、128、256、512、1024 等等。（這里，batch size 是指當(dāng)我們通過(guò)基于隨機(jī)梯度下降的優(yōu)化算法訓(xùn)練具有反向傳播的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，每個(gè) minibatch 中的訓(xùn)練示例數(shù)。）

據(jù)稱，我們這樣做是出于習(xí)慣，因?yàn)檫@是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)慣例。這是因?yàn)槲覀冊(cè)?jīng)被告知，將批量大小選擇為 2 的冪有助于從計(jì)算角度提高訓(xùn)練效率。

這有一些有效的理論依據(jù)，但它在實(shí)踐中是如何實(shí)現(xiàn)的呢？在過(guò)去的幾天里，我們對(duì)此進(jìn)行了一些討論，在這里我想寫下一些要點(diǎn)，以便將來(lái)參考。我希望你也會(huì)發(fā)現(xiàn)這很有幫助！

理論背景

在看實(shí)際基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果之前，讓我們簡(jiǎn)要回顧一下將批大小選擇為 2 的冪的主要思想。以下兩個(gè)小節(jié)將簡(jiǎn)要強(qiáng)調(diào)兩個(gè)主要論點(diǎn)：內(nèi)存對(duì)齊和浮點(diǎn)效率。

內(nèi)存對(duì)齊

選擇批大小為 2 的冪的主要論據(jù)之一是 CPU 和 GPU 內(nèi)存架構(gòu)是以 2 的冪進(jìn)行組織的。或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，存在內(nèi)存頁(yè)的概念，它本質(zhì)上是一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存塊。如果你使用的是 macOS 或 Linux，就可以通過(guò)在終端中執(zhí)行 getconf PAGESIZE 來(lái)檢查頁(yè)面大小，它應(yīng)該會(huì)返回一個(gè) 2 的冪的數(shù)字。

這個(gè)想法是將一個(gè)或多個(gè)批次整齊地放在一個(gè)頁(yè)面上，以幫助 GPU 并行處理。或者換句話說(shuō)，我們選擇批大小為 2 以獲得更好的內(nèi)存對(duì)齊。這與在視頻游戲開發(fā)和圖形設(shè)計(jì)中使用 OpenGL 和 DirectX 時(shí)選擇二次冪紋理類似。

矩陣乘法和 Tensor Core

再詳細(xì)一點(diǎn)，英偉達(dá)有一個(gè)矩陣乘法背景用戶指南，解釋了矩陣尺寸和圖形處理單元 GPU 計(jì)算效率之間的關(guān)系。因此，本文建議不要將矩陣維度選擇為 2 的冪，而是將矩陣維度選擇為 8 的倍數(shù)，以便在具有 Tensor Core 的 GPU 上進(jìn)行混合精度訓(xùn)練。不過(guò)，當(dāng)然這兩者之間存在重疊：

為什么會(huì)是 8 的倍數(shù)？這與矩陣乘法有關(guān)。假設(shè)我們?cè)诰仃?A 和 B 之間有以下矩陣乘法：

將兩個(gè)矩陣 A 和 B 相乘的一種方法，是計(jì)算矩陣 A 的行向量和矩陣 B 的列向量之間的點(diǎn)積。如下所示，這些是 k 元素向量對(duì)的點(diǎn)積：

每個(gè)點(diǎn)積由一個(gè)「加」和一個(gè)「乘」操作組成，我們有 M×N 個(gè)這樣的點(diǎn)積。因此，共有 2×M×N×K 次浮點(diǎn)運(yùn)算（FLOPS）。不過(guò)需要知道的是：現(xiàn)在矩陣在 GPU 上的乘法并不完全如此，GPU 上的矩陣乘法涉及平鋪。

如果我們使用帶有 Tensor Cores 的 GPU，例如英偉達(dá) V100，當(dāng)矩陣維度 (M、N 和 K）與 16 字節(jié)的倍數(shù)對(duì)齊（根據(jù) Nvidia 的本指南）后，在 FP16 混合精度訓(xùn)練的情況下，8 的倍數(shù)對(duì)于效率來(lái)說(shuō)是最佳的。

通常，維度 K 和 N 由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)決定（盡管如果我們自己設(shè)計(jì)還會(huì)有一些回旋余地），但批大小（此處為 M）通常是我們可以完全控制的。

因此，假設(shè)批大小為 8 的倍數(shù)在理論上對(duì)于具有 Tensor Core 和 FP16 混合精度訓(xùn)練的 GPU 來(lái)說(shuō)是最有效的，讓我們研究一下在實(shí)踐中可見的差異有多大。

簡(jiǎn)單的 Benchmark

為了解不同的批大小如何影響實(shí)踐中的訓(xùn)練，我運(yùn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)測(cè)試，在 CIFAR-10 上訓(xùn)練 MobileNetV3 模型 10 個(gè) epoch—— 圖像大小調(diào)整為 224×224 以達(dá)到適當(dāng)?shù)?GPU 利用率。在這里，我使用 16 位原生自動(dòng)混合精度訓(xùn)練在英偉達(dá) V100 卡上運(yùn)行訓(xùn)練，它更有效地使用了 GPU 的張量核心。

如果想自己運(yùn)行它，代碼可在此 GitHub 存儲(chǔ)庫(kù)中找到：https://github.com/rasbt/b3-basic-batchsize-benchmark

小 Batch Size 基準(zhǔn)

我們從批大小為 128 的小基準(zhǔn)開始。「訓(xùn)練時(shí)間」對(duì)應(yīng)于在 CIFAR-10 上訓(xùn)練 MobileNetV3 的 10 個(gè) epoch。推理時(shí)間意味著在測(cè)試集中的 10k 圖像上評(píng)估模型。

查看上表，讓我們將批大小 128 作為參考點(diǎn)。似乎將批量大小減少一 (127) 或?qū)⑴看笮≡黾右?(129) 確實(shí)會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練性能減慢。但這里的差異看來(lái)很小，我認(rèn)為可以忽略不計(jì)。

將批大小減少 28 (100) 會(huì)導(dǎo)致性能明顯下降。這可能是因?yàn)槟Ｐ同F(xiàn)在需要處理比以前更多的批次（50,000 / 100 = 500 對(duì)比 50,000 / 100 = 390）。可能出于類似的原因，當(dāng)我們將批大小增加 28 (156) 時(shí)就可以觀察到更快的訓(xùn)練時(shí)間。

最大 Batch Size 基準(zhǔn)

鑒于 MobileNetV3 架構(gòu)和輸入圖像大小，上一節(jié)中的批尺寸相對(duì)較小，因此 GPU 利用率約為 70%。為了研究 GPU 滿負(fù)荷時(shí)的訓(xùn)練時(shí)間差異，我將批量大小增加到 512，以使 GPU 顯示出接近 100% 的計(jì)算利用率：

由于 GPU 內(nèi)存限制，批大小不可能超過(guò) 515。

同樣，正如我們之前看到的，作為 2 的冪（或 8 的倍數(shù)）的批大小確實(shí)會(huì)產(chǎn)生很小但幾乎不明顯的差異。

多GPU訓(xùn)練

之前的基準(zhǔn)測(cè)試評(píng)估了單塊 GPU 上的訓(xùn)練性能。不過(guò)如今在多 GPU 上訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更為常見。所以讓我們看看下面的多 GPU 訓(xùn)練的數(shù)字比較：

請(qǐng)注意，推理速度被省略了，因?yàn)樵趯?shí)踐中我們通常仍會(huì)使用單個(gè) GPU 進(jìn)行推理。此外，由于 GPU 的內(nèi)存限制，我無(wú)法運(yùn)行批處理大小為 512 的基準(zhǔn)測(cè)試，因此在這里降低到 256。

正如我們所看到的，這一次 2 的冪和 8 的倍數(shù)批量大小 (256) 并不比 257 快。在這里，我使用 DistributedDataParallel (DDP) 作為默認(rèn)的多 GPU 訓(xùn)練策略。你也可以使用不同的多 GPU 訓(xùn)練策略重復(fù)實(shí)驗(yàn)。GitHub 上的代碼支持 —strategy ddp_sharded (fairscale)、ddp_spawn、deepspeed 等。

基準(zhǔn)測(cè)試注意事項(xiàng)

這里需要強(qiáng)調(diào)的是上述所有基準(zhǔn)測(cè)試都有注意事項(xiàng)。例如我只運(yùn)行每個(gè)配置一次。理想情況下，我們希望多次重復(fù)這些運(yùn)行并報(bào)告平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。（但這可能不會(huì)影響我們的結(jié)論，即性能沒(méi)有實(shí)質(zhì)性差異）

此外，雖然我在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行了所有基準(zhǔn)測(cè)試，但我以連續(xù)的順序運(yùn)行它們，運(yùn)行之間沒(méi)有很長(zhǎng)的等待時(shí)間。因此這可能意味著基本 GPU 溫度在運(yùn)行之間可能有所不同，并且可能會(huì)對(duì)計(jì)時(shí)產(chǎn)生輕微影響。

我運(yùn)行基準(zhǔn)測(cè)試來(lái)模仿真實(shí)世界的用例，即在 PyTorch 中訓(xùn)練具有相對(duì)常見設(shè)置的現(xiàn)成架構(gòu)。然而，正如 Piotr Bialecki 正確指出的那樣，通過(guò)設(shè)置 torch.backends.cudnn.benchmark = True 可以稍微提高訓(xùn)練速度。

其他資源和討論

正如 Ross Wightman 所提到的，他也不認(rèn)為選擇批量大小作為 2 的冪會(huì)產(chǎn)生明顯的差異。但選擇 8 的倍數(shù)對(duì)于某些矩陣維度可能很重要。此外 Wightman 指出，在使用 TPU 時(shí)批量大小至關(guān)重要。（不幸的是，我無(wú)法輕松訪問(wèn) TPU，也沒(méi)有任何基準(zhǔn)比較）

如果你對(duì)其他 GPU 基準(zhǔn)測(cè)試感興趣，請(qǐng)?jiān)诖颂幉榭?Thomas Bierhance 的優(yōu)秀文章：https://wandb.ai/datenzauberai/Batch-Size-Testing/reports/Do-Batch-Sizes-Actually-Need-to-be-Powers-of-2---VmlldzoyMDkwNDQx

特別是你想要比較：

顯卡是否有 Tensor Core；
顯卡是否支持混合精度訓(xùn)練；
在像 DeiT 這樣的無(wú)卷積視覺轉(zhuǎn)換器。

Rémi Coulom-Kayufu 的一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)表明，2 次方的批大小實(shí)際上很糟糕。看來(lái)對(duì)于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)以下方式計(jì)算出較好的批大小：

Batch Size=int ((n×(1<<14)×SM)/(H×W×C))。

其中，n 是整數(shù)，SM 是 GPU 內(nèi)核的數(shù)量（例如，V100 為 80，RTX 2080 Ti 為 68）。

結(jié)論

根據(jù)本文中共享的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果，我不認(rèn)為選擇批大小作為 2 的冪或 8 的倍數(shù)在實(shí)踐中會(huì)產(chǎn)生明顯的差異。

然而，在任何給定的項(xiàng)目中，無(wú)論是研究基準(zhǔn)還是機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)際應(yīng)用上，都已經(jīng)有很多旋鈕需要調(diào)整。因此，將批大小選擇為 2 的冪（即 64、128、256、512、1024 等）有助于使事情變得更加簡(jiǎn)單和易于管理。此外，如果你對(duì)發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文感興趣，將批大小選擇為 2 的冪將使結(jié)果看起來(lái)不像是刻意挑選好結(jié)果。

雖然堅(jiān)持批大小為 2 的冪有助于限制超參數(shù)搜索空間，但重要的是要強(qiáng)調(diào)批大小仍然是一個(gè)超參數(shù)。一些人認(rèn)為較小的批尺寸有助于泛化性能，而另一些人則建議盡可能增加批大小。

個(gè)人而言，我發(fā)現(xiàn)最佳批大小在很大程度上取決于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和損失函數(shù)。例如，在最近一個(gè)使用相同 ResNet 架構(gòu)的研究項(xiàng)目中，我發(fā)現(xiàn)最佳批大小可以在 16 到 256 之間，具體取決于損失函數(shù)。

因此，我建議始終考慮調(diào)整批大小作為超參數(shù)優(yōu)化搜索的一部分。但是，如果因?yàn)閮?nèi)存限制而不能使用 512 的批大小，則不必降到 256。有限考慮 500 的批大小是完全可行的。

原文鏈接

https://sebastianraschka.com/blog/2022/batch-size-2.html

打破Batch Size的玄學(xué)！有關(guān) batch size 的設(shè)置范圍，其實(shí)不必那么拘謹(jǐn)

前言