Pytorch Mac GPU 训练与测评

Pytorch Mac GPU 训练与测评今天中午看到Pytorch的官方博客发了Apple M1 芯片 GPU加速的文章,这是我期待了很久的功能,因此很兴奋,立马进行测试,结论是在MNIST上,速度与P100差不多,相比CPU提速1.7倍。

今天中午看到Pytorch的官方博客发了Apple M1 芯片 GPU加速的文章,这是我期待了很久的功能,因此很兴奋,立马进行测试,结论是在MNIST上,速度与P100差不多,相比CPU提速1.7倍。当然这只是一个最简单的例子,不能反映大部分情况。这里详细记录操作的一步步流程,如果你也感兴趣,不妨自己上手一试。

加速原理

苹果有自己的一套GPU实现API Metal,而Pytorch此次的加速就是基于Metal,具体来说,使用苹果的Metal Performance Shaders(MPS)作为PyTorch的后端,可以实现加速GPU训练。MPS后端扩展了PyTorch框架,提供了在Mac上设置和运行操作的脚本和功能。MPS通过针对每个Metal GPU系列的独特特性进行微调的内核来优化计算性能。新设备在MPS图形框架和MPS提供的调整内核上映射机器学习计算图形和基元。

因此此次新增的的device名字是mps, 使用方式与cuda 类似,例如:

import torch
foo = torch.rand(1, 3, 224, 224).to('mps')

device = torch.device('mps')
foo = foo.to(device)

是不是熟悉的配方,熟悉的味道?可以说是无门槛即可上手。

此外发现,Pytorch已经支持下面这些device了,确实出乎意料:

  • cpu, cuda, ipu, xpu, mkldnn, opengl, opencl, ideep, hip, ve, ort, mps, xla, lazy, vulkan, meta, hpu

环境配置

为了使用这个实验特性,你需要满足下面三个条件:

  1. 有一台配有Apple Silicon 系列芯片(M1, M1 Pro, M1 Pro Max, M1 Ultra)的Mac笔记本

  2. 安装了arm64位的Python

  3. 安装了最新的nightly 版本的Pytorch

第一个条件需要你自己来设法满足,这篇文章对它的达到没有什么帮助。

假设机器已经准备好。我们可以从这里下载arm64版本的miniconda(文件名是Miniconda3 macOS Apple M1 64-bit bash,基于它安装的Python环境就是arm64位的。下载和安装Minicoda的命令如下:

wget https://repo.anaconda.com/miniconda/Miniconda3-latest-MacOSX-arm64.sh 
chmod +x Miniconda3-latest-MacOSX-arm64.sh 
./Miniconda3-latest-MacOSX-arm64.sh 

按照说明来操作即可,安装完成后,创建一个虚拟环境,通过检查platform.uname()[4] 是不是为arm64 来检查Python的架构:

conda config --env --set always_yes true
conda create -n try-mps python=3.8
conda activate try-mps
python -c "import platform; print(platform.uname()[4])"

如果最后一句命令的输出为arm64 ,说明Python版本OK,可以继续往下走了。

第三步,安装nightly版本的Pytorch,在开启的虚拟环境中进行下面的操作:

python -m pip  install --pre torch torchvision torchaudio --extra-index-url https://download.pytorch.org/whl/nightly/cpu

执行完成后通过下面的命令检查MPS后端是否可用:

python -c "import torch;print(torch.backends.mps.is_built())"

如果输出为True ,说明MPS后端可用,可以继续往下走了。

跑一个MNIST

基于Pytorch官方的example中的MNIST例子,修改了来测试cpu和mps模式,代码如下:

from __future__ import print_function
import argparse
import time
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torchvision import datasets, transforms
from torch.optim.lr_scheduler import StepLR


class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 32, 3, 1)
        self.conv2 = nn.Conv2d(32, 64, 3, 1)
        self.dropout1 = nn.Dropout(0.25)
        self.dropout2 = nn.Dropout(0.5)
        self.fc1 = nn.Linear(9216, 128)
        self.fc2 = nn.Linear(128, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = F.relu(x)
        x = self.conv2(x)
        x = F.relu(x)
        x = F.max_pool2d(x, 2)
        x = self.dropout1(x)
        x = torch.flatten(x, 1)
        x = self.fc1(x)
        x = F.relu(x)
        x = self.dropout2(x)
        x = self.fc2(x)
        output = F.log_softmax(x, dim=1)
        return output


def train(args, model, device, train_loader, optimizer, epoch):
    model.train()
    for batch_idx, (data, target) in enumerate(train_loader):
        data, target = data.to(device), target.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        output = model(data)
        loss = F.nll_loss(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        if batch_idx % args.log_interval == 0:
            print('Train Epoch: {} [{}/{} ({:.0f}%)]\tLoss: {:.6f}'.format(
                epoch, batch_idx * len(data), len(train_loader.dataset),
                100. * batch_idx / len(train_loader), loss.item()))
            if args.dry_run:
                break


def main():
    # Training settings
    parser = argparse.ArgumentParser(description='PyTorch MNIST Example')
    parser.add_argument('--batch-size', type=int, default=64, metavar='N',
                        help='input batch size for training (default: 64)')
    parser.add_argument('--test-batch-size', type=int, default=1000, metavar='N',
                        help='input batch size for testing (default: 1000)')
    parser.add_argument('--epochs', type=int, default=4, metavar='N',
                        help='number of epochs to train (default: 14)')
    parser.add_argument('--lr', type=float, default=1.0, metavar='LR',
                        help='learning rate (default: 1.0)')
    parser.add_argument('--gamma', type=float, default=0.7, metavar='M',
                        help='Learning rate step gamma (default: 0.7)')
    parser.add_argument('--no-cuda', action='store_true', default=False,
                        help='disables CUDA training')
    parser.add_argument('--use_gpu', action='store_true', default=False,
                        help='enable MPS')
    parser.add_argument('--dry-run', action='store_true', default=False,
                        help='quickly check a single pass')
    parser.add_argument('--seed', type=int, default=1, metavar='S',
                        help='random seed (default: 1)')
    parser.add_argument('--log-interval', type=int, default=10, metavar='N',
                        help='how many batches to wait before logging training status')
    parser.add_argument('--save-model', action='store_true', default=False,
                        help='For Saving the current Model')
    args = parser.parse_args()
    use_gpu = args.use_gpu

    torch.manual_seed(args.seed)

    device = torch.device("mps" if args.use_gpu else "cpu")

    train_kwargs = {'batch_size': args.batch_size}
    test_kwargs = {'batch_size': args.test_batch_size}
    if use_gpu:
        cuda_kwargs = {'num_workers': 1,
                       'pin_memory': True,
                       'shuffle': True}
        train_kwargs.update(cuda_kwargs)
        test_kwargs.update(cuda_kwargs)

    transform=transforms.Compose([
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
        ])
    dataset1 = datasets.MNIST('../data', train=True, download=True,
                       transform=transform)
    dataset2 = datasets.MNIST('../data', train=False,
                       transform=transform)
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset1,**train_kwargs)
    test_loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset2, **test_kwargs)

    model = Net().to(device)
    optimizer = optim.Adadelta(model.parameters(), lr=args.lr)

    scheduler = StepLR(optimizer, step_size=1, gamma=args.gamma)
    for epoch in range(1, args.epochs + 1):
        train(args, model, device, train_loader, optimizer, epoch)
        test(model, device, test_loader)
        scheduler.step()


if __name__ == '__main__':
    t0 = time.time()
    main()
    t1 = time.time()
    print('time_cost:', t1 - t0)

测试CPU:

python main.py

测试MPS:

python main --use_gpu

在M1机器上测试发现,训一个Epoch的MNIST,CPU耗时33.4s,而使用MPS的话耗时19.6s,加速1.7倍,好想没官方博客中说的那么多,估计是跟模型太小有关。

我又在Nvidia P100 GPU服务器上进行了测试,CPU耗时34.2s,使用CUDA 耗时20.4s,加速比1.67倍,跟M1差不多,整体速度略低于M1。 下面是一个总结表格:

机器 内存 CPU耗时 GPU耗时 加速比
M1 16G 33.4s 19.6s 1.70
P100 256G 34.2s 20.4s 1.67

跑一下VAE模型

类似地,跑一下这个仓库里面地VAE模型,发现CPU模式正常,换成MPS后loss不断增大,最后到nan,看来还是有bug的 (毕竟是实验特性),可以在Pytorch GitHub 仓库里面提issue,期待更好的Pytorch。

[W ParallelNative.cpp:229] Warning: Cannot set number of intraop threads after parallel work has started or after set_num_threads call when using native parallel backend (function set_num_threads)
Train Epoch: 1 [0/60000 (0%)]   Loss: 550.842529
Train Epoch: 1 [1280/60000 (2%)]        Loss: 330.613251
Train Epoch: 1 [2560/60000 (4%)]        Loss: 4705.016602
Train Epoch: 1 [3840/60000 (6%)]        Loss: 183532752.000000
...
Train Epoch: 6 [40960/60000 (68%)]      Loss: nan
Train Epoch: 6 [42240/60000 (70%)]      Loss: nan

一个愿景

开头提到,关注这个特性挺久了,其实我最初的想法,是希望一台普通计算设备(不带GPU的笔记本,智能手机)都能训非常快的模型。因为GPU卡很昂贵,只有科研机构和大公司才有,普通人购买成本比较高,而云服务商提供的GPU按时收费,价格不菲。另一方面,所有普通笔记本和智能手机都有不错的CPU,算力不错,如果能将这部分性能合理地利用起来,就像深度学习前的时代一样,有一台笔记本就能用MatLab快速地进行科学实验,这样才能将AI推广到更多人,将AI平民化,也避免了大公司在硬件资源上的垄断和显卡巨大的能耗。

今天的Mac GPU训练至少是在降低深度学习能耗和深度学习模型训练的”轻量化”上面有了一个大的进步,你可以抱着笔记本在床上训练改变AI模型了 。但以Mac笔记的价格,很难说在平民化方向上有任何的进展。

今天的文章Pytorch Mac GPU 训练与测评分享到此就结束了,感谢您的阅读。

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