Jeff Dean「Hot Chips 2017」演講：AI對計算機系統(tǒng)設(shè)計的影響

explorer_ddf 發(fā)布于2019-04-25 18:16 / 620人閱讀

摘要：谷歌也不例外，在大會中介紹了人工智能近期的發(fā)展及其對計算機系統(tǒng)設(shè)計的影響，同時他也對進行了詳細介紹。表示，在谷歌產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)超過了個月，用于搜索神經(jīng)機器翻譯的系統(tǒng)等。此外，學(xué)習(xí)優(yōu)化更新規(guī)則也是自動機器學(xué)習(xí)趨勢中的一個信號。

在剛剛結(jié)束的 2017 年國際高性能微處理器研討會（Hot Chips 2017）上，微軟、百度、英特爾等公司都發(fā)布了一系列硬件方面的新信息，比如微軟的 Project Brainwave、百度的 XPU、英特爾的 14nm FPGA 解決方案等。谷歌也不例外，在大會 keynote 中 Jeff Dean 介紹了人工智能近期的發(fā)展及其對計算機系統(tǒng)設(shè)計的影響，同時他也對 TPU、TensorFlow 進行了詳細介紹。文末提供了該演講資料的下載地址。

在演講中，Jeff Dean 首先介紹了深度學(xué)習(xí)的崛起（及其原因），谷歌在自動駕駛、醫(yī)療健康等領(lǐng)域取得的進展。

Jeff Dean 表示，隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，我們需要更多的計算能力，而深度學(xué)習(xí)也正在改變我們設(shè)計計算機的能力。

我們知道，谷歌設(shè)計了 TPU 專門進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推斷。Jeff Dean 表示，TPU 在谷歌產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)超過了 30 個月，用于搜索、神經(jīng)機器翻譯、DeepMind 的 AlphaGo 系統(tǒng)等。

但部署人工智能不只是推斷，還有訓(xùn)練階段。TPU 能夠助力推斷，我們又該如何加速訓(xùn)練？訓(xùn)練的加速非常的重要：無論是對產(chǎn)品化還是對解決大量的難題。

為了同時加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推斷與訓(xùn)練，谷歌設(shè)計了 TPU 二代。TPU 二代芯片的性能如下圖所示：

除了上圖所述意外，TPU 二代的特點還有：

每秒的浮點運算是 180 ?teraflops，64 GB 的 HBM 存儲，2400 GB/S 的存儲帶寬

設(shè)計上，TPU 二代可以組合連接成大型配置

下圖是 TPU 組成的大型配置：由 64 塊 TPU 二代組成，每秒 11.5 千萬億次浮點運算，4 太字節(jié)的 HBM 存儲。

在擁有強大的硬件之后，我們需要更強大的深度學(xué)習(xí)框架來支持這些硬件和編程語言，因為快速增長的機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)需要硬件和軟件都能具備強大的擴展能力。因此，Jeff Dean 還詳細介紹了最開始由谷歌開發(fā)的深度學(xué)習(xí)框架 TensorFlow。

深度學(xué)習(xí)框架 TensorFlow

TensorFlow 是一種采用數(shù)據(jù)流圖（data flow graphs），用于數(shù)值計算的開源軟件庫。其中 Tensor 代表傳遞的數(shù)據(jù)為張量（多維數(shù)組），F(xiàn)low 代表使用計算圖進行運算。數(shù)據(jù)流圖用「節(jié)點」（nodes）和「邊」（edges）組成的有向圖來描述數(shù)學(xué)運算。

TensorFlow 的目標是建立一個可以表達和分享機器學(xué)習(xí)觀點與系統(tǒng)的公共平臺。該平臺是開源的，所以它不僅是谷歌的平臺，同時是所有機器學(xué)習(xí)開發(fā)者和研究人員的平臺，谷歌和所有機器學(xué)習(xí)開源社區(qū)的研究者都在努力使 TensorFlow 成為研究和產(chǎn)品上較好的機器學(xué)習(xí)平臺。

下面是 TensorFlow 項目近年來在 Github 上的關(guān)注度，我們可以看到 TensorFlow 是所有同類深度學(xué)習(xí)框架中關(guān)注度較大的項目。

TensorFlow：一個充滿活力的開源社區(qū)

TensorFlow 發(fā)展迅速，有很多谷歌外部的開發(fā)人員

超過 800 多位 TensorFlow 開發(fā)人員（非谷歌人員）。

21 個月內(nèi) Github 上有超過 21000 多條貢獻和修改。

許多社區(qū)編寫了 TensorFlow 的教程、模型、翻譯和項目

超過 16000 個 Github 項目在項目名中包含了「TensorFlow」字段

社區(qū)與 TensorFlow 團隊之間的直接聯(lián)合

5000+已回答的 Stack Overflow 問題

80+ 每周解答的社區(qū)提交的 GitHub 問題

通過 TensorFlow 編程

在 TensorFlow 中，一個模型可能只需要一點點修改就能在 CPU、GPU 或 TPU 上運行。前面我們已經(jīng)看到 TPU 的強大之處，Jeff Dean 表明，對于從事開放性機器學(xué)習(xí)研究的科學(xué)家，谷歌可以免費提供 1000 塊云 TPU 來支持他們的研究。Jeff Dean 說：「我們很高興研究者能在更強勁的計算力下進行更杰出的研究」

TensorFlow Research Cloud 申請地址：https://services.google.com/fb/forms/tpusignup/

機器學(xué)習(xí)需要在各種環(huán)境中運行，我們可以在下面看到 TensorFlow 所支持的各種平臺和編程語言。

除此之外，TensorFlow 還支持各種編程語言，如 Python、C++、Java、C#、R、Go 等。

TensorFlow 非常重要的一點就是計算圖，我們一般需要先定義整個模型需要的計算圖，然后再執(zhí)行計算圖進行運算。在計算圖中，「節(jié)點」一般用來表示施加的數(shù)學(xué)操作，但也可以表示數(shù)據(jù)輸入的起點和輸出的終點，或者是讀取/寫入持久變量（persistent variable）的終點。邊表示節(jié)點之間的輸入/輸出關(guān)系。這些數(shù)據(jù)邊可以傳送維度可動態(tài)調(diào)整的多維數(shù)據(jù)數(shù)組，即張量（tensor）。

如下是使用 TensorFlow 和 Python 代碼定義一個計算圖：

在 Tensorflow 中，所有不同的變量和運算都儲存在計算圖。所以在我們構(gòu)建完模型所需要的圖之后，還需要打開一個會話（Session）來運行整個計算圖。在會話中，我們可以將所有計算分配到可用的 CPU 和 GPU 資源中。

如下所示代碼，我們聲明兩個常量 a 和 b，并且定義一個加法運算。但它并不會輸出計算結(jié)果，因為我們只是定義了一張圖，而沒有運行它：

a=tf.constant([1,2],name="a")

b=tf.constant([2,4],name="b")

result = a+b

print(result)

#輸出：Tensor("add:0", shape=(2,), dtype=int32)

下面的代碼才會輸出計算結(jié)果，因為我們需要創(chuàng)建一個會話才能管理 TensorFlow 運行時的所有資源。但計算完畢后需要關(guān)閉會話來幫助系統(tǒng)回收資源，不然就會出現(xiàn)資源泄漏的問題。下面提供了使用會話的兩種方式：

a=tf.constant([1,2,3,4])

b=tf.constant([1,2,3,4])

result=a+b

sess=tf.Session()

print(sess.run(result))

sess.close

#輸出 [2 4 6 8]

with tf.Session() as sess:

? ? a=tf.constant([1,2,3,4])

? ? b=tf.constant([1,2,3,4])

? ? result=a+b

? ? print(sess.run(result))

? ??

#輸出 [2 4 6 8]

TensorFlow + XLA 編譯器

XLA（Accelerated Linear Algebra）是一種特定領(lǐng)域的編譯器，它極好地支持線性代數(shù)，所以能很大程度地優(yōu)化 TensorFlow 的計算。使用 XLA 編譯器，TensorFlow 的運算將在速度、內(nèi)存使用和概率計算上得到大幅度提升。

XLA 編譯器詳細介紹： https://www.tensorflow.org/performance/xla/

XLA 編譯器開源代碼： https://github.com/tensorflow/tensorflow/tree/master/tensorflow/compiler

TensorFlow 的優(yōu)勢

高性能機器學(xué)習(xí)模型

對于大型模型來說，模型并行化處理是極其重要的，因為單個模型的訓(xùn)練時間太長以至于我們很難對這些模型進行反復(fù)的修改。因此，在多個計算設(shè)備中處理模型并取得優(yōu)秀的性能就十分重要了。如下所示，我們可以將模型分割為四部分，運行在四個 GPU 上。

高性能強化學(xué)習(xí)模型

通過強化學(xué)習(xí)訓(xùn)練的 Placement 模型將圖（graph）作為輸入，并且將一組設(shè)備、輸出設(shè)備作為圖中的節(jié)點。在 Runtime 中，給定強化學(xué)習(xí)的獎勵信號而度量每一步的時間，然后再更新 Placement。

通過強化學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)備部署（Device Placement Optimization with Reinforcement Learning，ICML 2017）

論文地址：https://arxiv.org/abs/1706.04972

通過強化學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)備部署

降低推斷成本

開發(fā)人員最怕的就是「我們有十分優(yōu)秀的模型，但它卻需要太多的計算資源而不能部署到邊緣設(shè)備中！」

Geoffrey Hinton 和 Jeff Dean 等人曾發(fā)表過論文 Distilling the Knowledge in a Neural Network。在該篇論文中，他們詳細探討了將知識壓縮到一個集成的單一模型中，因此能使用不同的壓縮方法將復(fù)雜模型部署到低計算能力的設(shè)備中。他們表示這種方法顯著地提升了商業(yè)聲學(xué)模型部署的性能。

論文地址：https://arxiv.org/abs/1503.02531

這種集成方法實現(xiàn)成一個從輸入到輸出的映射函數(shù)。我們會忽略集成中的模型和參數(shù)化的方式而只關(guān)注于這個函數(shù)。以下是 Jeff Dean 介紹這種集成。

訓(xùn)練模型的幾個趨勢

1. 大型、稀疏激活式模型

之所以想要訓(xùn)練這種模型是想要面向大型數(shù)據(jù)集的大型模型容量，但同時也想要單個樣本只激活大型模型的一小部分。

逐個樣本路徑選擇圖

這里，可參考谷歌 Google Brain ICLR 2017 論文《OUTRAGEOUSLY LARGE NEURAL NETWORKS: THE SPARSELY-GATED MIXTURE-OF-EXPERTS LAYER》。

2. 自動機器學(xué)習(xí)

Jeff Dean 介紹說，目前的解決方式是：機器學(xué)習(xí)專家+數(shù)據(jù)+計算。這種解決方案人力的介入非常大。我們能不能把解決方案變成：數(shù)據(jù)+100 倍的計算。

有多個信號讓我們看到，這種方式是可行的：

基于強化學(xué)習(xí)的架構(gòu)搜索學(xué)習(xí)如何優(yōu)化

如 Google Brain ICLR 2017 論文《Neural Architecture Search with Reinforcement Learning》，其思路是通過強化學(xué)習(xí)訓(xùn)練的模型能夠生成模型。

在此論文中，作者們生成了 10 個模型，對它們進行訓(xùn)練（數(shù)個小時），使用生成模型的損失函數(shù)作為強化學(xué)習(xí)的信號。

在 CIFAR-10 圖像識別任務(wù)上，神經(jīng)架構(gòu)搜索的表現(xiàn)與其他較高級成果的表現(xiàn)對比如上圖所示。

上圖是正常的 LSTM 單元與架構(gòu)搜索所發(fā)現(xiàn)的單元圖。

此外，學(xué)習(xí)優(yōu)化更新規(guī)則也是自動機器學(xué)習(xí)趨勢中的一個信號。通常我們使用的都是手動設(shè)計的優(yōu)化器，如下圖所示。

而 Google Brain 在 ICML 2017 的論文《Neural Optimizer Search with Reinforcement Learning》中，就講到了一種學(xué)習(xí)優(yōu)化更新規(guī)則的技術(shù)。神經(jīng)優(yōu)化器搜索如下圖所示：

總結(jié)

最后，Jeff Dean 總結(jié)說，未來人工智能的發(fā)展可能需要結(jié)合以上介紹的所有思路：需要大型、但稀疏激活的模型；需要解決多種任務(wù)的單個模型；大型模型的動態(tài)學(xué)習(xí)和成長路徑；面向機器學(xué)習(xí)超級計算的特定硬件，以及高效匹配這種硬件的機器學(xué)習(xí)方法。