【51CTO.com原創(chuàng)稿件】

1. 寫在前面

5G可以說是2019年上半年十分閃耀的那顆“星”了，美方還不惜代價(jià)地試圖封鎖中國的5G技術(shù)出海。5G之所以重要，是因?yàn)槠鋵⒑虯I技術(shù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)一道顛覆我們現(xiàn)有的生活模式，讓智能化成為現(xiàn)實(shí)。

在智能化的世界，5G技術(shù)提供高速率(>1 Gbps)，低延時(shí)(1ms)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，組建物聯(lián)網(wǎng)(IoT，Internet of Things)，大數(shù)據(jù)技術(shù)提供對(duì)萬物互聯(lián)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的整合能力，而AI技術(shù)則提供整個(gè)智能生態(tài)的計(jì)算與決策能力，深度學(xué)習(xí)技術(shù)是非常高效的實(shí)現(xiàn)方式，在過去10年，已被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界反復(fù)證實(shí)是一劑“靈丹妙藥”，依靠各種模型、算法可以比人類判斷得更精準(zhǔn)、更快速。

Figure 1 智能時(shí)代

技術(shù)需要高效的模式來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，深度學(xué)習(xí)框架就是那個(gè)實(shí)現(xiàn)“靈藥“的“煉丹爐”，能夠通過深度學(xué)習(xí)算法模塊化的封裝，快速搭建模型，輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種模型的訓(xùn)練，調(diào)優(yōu)，測試和部署，為整個(gè)智能生態(tài)提供預(yù)測，決策等核心推斷能力。

2. 深度學(xué)習(xí)框架排行榜

得益于深度學(xué)習(xí)框架發(fā)展初期各家為更好地推動(dòng)技術(shù)發(fā)展而造就的開源生態(tài)模式，如今，深度學(xué)習(xí)框架百花齊放，百家爭鳴，快速推動(dòng)了深度技術(shù)在工業(yè)界的落地應(yīng)用。當(dāng)然，好“藥”也得有好“爐”煉，下面我們就介紹下目前主流的深度學(xué)習(xí)框架的發(fā)展?fàn)顩r，各自的特點(diǎn)以及適合的場景等，希望能夠幫助大家找到合適的“爐”。

下文將從業(yè)界影響、資源投入、開發(fā)生態(tài)、文檔體系、模型全面性、工業(yè)實(shí)踐和開源熱度(GitHub)等七個(gè)方面評(píng)估各框架的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)果如下圖(供參考)。

Figure 2 十大深度學(xué)習(xí)框架發(fā)展程度(caffe，caffe2分開統(tǒng)計(jì))

再來看一下GitHub對(duì)應(yīng)的一些數(shù)據(jù)情況，Pytorch，TensorFlow，PaddlePaddle過去兩年保持了較快的發(fā)展速度，尤其是Pytorch的星數(shù)增長了3倍，獲得了頗多關(guān)注。而Caffe&Caffe2，Theano，CNTK等，雖然已經(jīng)停止迭代，但得益于產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，GitHub星數(shù)仍有一定增長。

Figure 3 十大深度學(xué)習(xí)框架GitHub數(shù)據(jù)變化(caffe，caffe2分開統(tǒng)計(jì))

Figure 4 十大深度學(xué)習(xí)框架增長率(caffe，caffe2分開統(tǒng)計(jì))

3. 十大深度學(xué)習(xí)框架詳解

TensorFlow

Google的TensorFlow，可以說是當(dāng)今十分流行的深度學(xué)習(xí)框架。Airbnb，DeepMind，Intel，Nvidia，Twitter以及許多其他著名公司都在使用它。

Google自開源TensorFlow起，投入大量的人力，物力，財(cái)力，逐步構(gòu)建了一個(gè)AI生態(tài)，從基礎(chǔ)研究、AI教育再到應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，而這個(gè)生態(tài)的核心就是TensorFlow。如前所說，深度學(xué)習(xí)是AIoT時(shí)代的基石，毫無疑問，Google依然走在時(shí)代轉(zhuǎn)折點(diǎn)的前列。

TensorFlow提供全面的服務(wù)，無論是Python，C++，JAVA，Go，甚至是JavaScript，Julia，C#，幾乎所有開發(fā)者都可以從熟悉的語言入手開始深度學(xué)習(xí)的旅程。TensorFlow構(gòu)建了活躍的社區(qū)，完善的文檔體系，大大降低了我們的學(xué)習(xí)成本，不過社區(qū)和文檔主要以英文為主，中文支持有待加強(qiáng)。另外，TensorFlow有很直觀的計(jì)算圖可視化呈現(xiàn)。模型能夠快速的部署在各種硬件機(jī)器上，從高性能的計(jì)算機(jī)到移動(dòng)設(shè)備，再到更小的更輕量的智能終端。

TensorFlow的缺點(diǎn)已經(jīng)被詬病多年，相比Pytorch，Caffe等框架，TensorFlow的計(jì)算速度可以說是“牛拉車“。而且通過它構(gòu)建一個(gè)深度學(xué)習(xí)框架需要更復(fù)雜的代碼，還要忍受重復(fù)的多次構(gòu)建靜態(tài)圖。

但綜合來說，對(duì)于英文閱讀和英文交流毫無障礙的同學(xué)，TensorFlow依然是深度學(xué)習(xí)框架的優(yōu)選方案。

Pytorch

Pytorch是基于用Lua編寫的Torch庫的Python實(shí)現(xiàn)的深度學(xué)習(xí)庫，它由Facebook創(chuàng)建，目前被廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，隨著Caffe2項(xiàng)目并入Pytorch， Pytorch開始威脅到TensorFlow在深度學(xué)習(xí)應(yīng)用框架領(lǐng)域的地位。

Pytorch官網(wǎng)的標(biāo)題語簡明地描述了Pytorch的特點(diǎn)以及將要發(fā)力的方向。Pytorch在學(xué)術(shù)界優(yōu)勢(shì)很大，關(guān)于用到深度學(xué)習(xí)模型的文章，除了Google的，其他大部分都是通過Pytorch進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，究其原因，一是Pytorch庫足夠簡單，跟NumPy，SciPy等可以無縫連接，而且基于tensor的GPU加速非常給力，二是訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)迭代的核心-梯度的計(jì)算，Autograd架構(gòu)(借鑒于Chainer)，基于Pytorch，我們可以動(dòng)態(tài)地設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，而無需笨拙地定義靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖，才能去進(jìn)行計(jì)算，想要對(duì)網(wǎng)絡(luò)有任務(wù)修改，都要從頭開始構(gòu)建靜態(tài)圖?；诤唵?，靈活的設(shè)計(jì)，Pytorch快速成為了學(xué)術(shù)界的主流深度學(xué)習(xí)框架。

Pytorch的劣勢(shì)在于模型部署，由于對(duì)其部署難度早有耳聞，我沒嘗試過部署Pytorch的模型，一般是在Pytorch快速的試驗(yàn)新的模型，確認(rèn)好的效果再去找“現(xiàn)成的”的TensorFlow模型做簡單的優(yōu)化。

不過現(xiàn)在，如果稍微深入了解TensorFlow和Pytorch，就會(huì)發(fā)現(xiàn)他們?cè)絹碓较瘢琓F加入了動(dòng)態(tài)圖架構(gòu)，Pytorch致力于其在工業(yè)界更加易用。打開各自的官網(wǎng)，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)文檔風(fēng)格也越發(fā)的相似。

PaddlePaddle

PaddlePaddle是由百度自主研發(fā)的開源深度學(xué)習(xí)平臺(tái)，近期有了中文名字，飛槳。官網(wǎng)截圖也很有意思，很多人在劃槳。飛槳?jiǎng)偘l(fā)布的時(shí)候，并不被看好，感覺更像是Google有，百度也要有的腔調(diào)，但是近來在做一個(gè)關(guān)于語義識(shí)別的項(xiàng)目，其他框架支持中文的模型實(shí)在是少的可憐，時(shí)間緊張也沒有時(shí)間大規(guī)模訓(xùn)練，于是就來試試飛槳，其中基于BERT的ERNIE模型取得了較好的效果，部署也不折騰。個(gè)人認(rèn)為可以將模型庫中的經(jīng)典模型套在自己的問題上，作為baseline模型快速試驗(yàn)，而后慢慢調(diào)優(yōu)追求更好的效果。

從模型庫找到適合自己的模型，按照實(shí)踐教程一步步進(jìn)行就行了，過程還是比較簡單的，遇到的問題在GitHub的issues中都有找到，雖然不像TF那么活躍，但是支持也是很及時(shí)的。我是從官網(wǎng)找模型，發(fā)現(xiàn)官網(wǎng)又更新了，盜張圖過來感受下支持的模型。

Figure 5 PaddlePaddle模型庫(源：百度PaddlePaddle官網(wǎng))

功能上，飛槳同時(shí)支持動(dòng)態(tài)圖和靜態(tài)圖，能方便地調(diào)試模型，方便地部署，非常適合業(yè)務(wù)應(yīng)用的落地實(shí)現(xiàn)。飛槳也已經(jīng)支持?jǐn)?shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)的高效并行訓(xùn)練。可以說在過去2年的時(shí)間里，深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域在大規(guī)模的落地應(yīng)用，各家框架也都在快速的發(fā)展，但是百度的飛槳看來是這個(gè)階段發(fā)展更快的框架，甚至是發(fā)展更快的AI開發(fā)生態(tài)。

目前，以上三個(gè)框架可以說發(fā)展比較快，并且仍在穩(wěn)定更新與維護(hù)。功能上來說，各框架已經(jīng)“越長越像”，三個(gè)框架還是會(huì)有各自的特點(diǎn)，如何選擇還是要根據(jù)自己的目標(biāo)來看。

下面簡單介紹一下其他的一些主要框架。

Keras

Keras的出現(xiàn)大大降低了深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的門檻，通過Keras的API可以通過數(shù)行代碼就構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型，曾幾何時(shí)，Keras+Theano，Keras+CNTK的模式深得開發(fā)者喜愛。目前Keras整套架構(gòu)已經(jīng)封裝進(jìn)了TensorFlow，在TF.keras可以完成Keras的所有事情。

Deeplearning4j

Deeplearning4j，顧名思義，它是用JAVA編寫的，并且與任何JVM語言兼容，如Scala，Clojure或Kotlin，基礎(chǔ)計(jì)算模塊是用C，C++和CUDA開發(fā)的，基于此，DL4J對(duì)Spark和Hadoop生態(tài)有很好的支持，在多卡GPU上也有很好的性能。相比TF，Pytorch和飛槳，DL4J的文檔和社區(qū)體系并不是很完善，而且其本身并不支持Python，而是由高層級(jí)的Keras API支持，上手難度稍大，另外其應(yīng)用示例也很有限。

Mxnet

Mxnet可以說成名很早，發(fā)展一直不溫不火，現(xiàn)在在Apache項(xiàng)目下孵化，當(dāng)下背靠企業(yè)的TensorFlow，Pytorch和飛槳都依靠廣泛的應(yīng)用場景踏上了AI發(fā)展的快車道，而Mxnet缺少的可能就是大廠應(yīng)用場景的落地實(shí)現(xiàn)。

Caffe&Caffe2

Caffe 是一個(gè)優(yōu)先考慮表達(dá)、速度和模塊化來設(shè)計(jì)的框架，它由賈揚(yáng)清和伯克利人工智能實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)。支持 C、C++、Python等接口以及命令行接口。它以其速度和可轉(zhuǎn)性以及其在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模中的適用性而聞名。

使用Caffe庫的好處是從深度網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)庫"Caffe 模型Zoo"訪問可用網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過預(yù)先培訓(xùn)，可以立即使用。Caffe是一個(gè)曾經(jīng)叱咤風(fēng)云的視覺識(shí)別深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。但是，Caffe 不支持精細(xì)粒度網(wǎng)絡(luò)層，給定體系結(jié)構(gòu)，對(duì)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)和語言建模的總體支持相當(dāng)差，必須用低級(jí)語言建立復(fù)雜的層類型，使用門檻很高。

Caffe2是由Facebook組織開發(fā)的深度學(xué)習(xí)模型，雖然使用門檻不像Caffe那樣高，但仍然讓不那么看重性能的開發(fā)者望而卻步，很快就被并入Pytorch項(xiàng)目。而Caffe自2017年以來都沒有再更新了，新的項(xiàng)目已經(jīng)鮮有其身影，曾名噪一時(shí)的框架就此落幕。

Chainer

Chainer是純粹用Python在NumPy，CuPy等庫的基礎(chǔ)上開發(fā)的，它的創(chuàng)新是網(wǎng)絡(luò)不再是靜態(tài)圖，而是可以靈活定義，快速運(yùn)行的一套深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，同時(shí)可以運(yùn)行于大型系統(tǒng)并保持較高的性能，后來Pytorch的設(shè)計(jì)靈感就是部分借鑒于Chainer。

Theano

Theano是深度學(xué)習(xí)框架的鼻祖，它由Yoshua Bengio和蒙特利爾大學(xué)的研究小組于2007年創(chuàng)建，是率先廣泛使用的深度學(xué)習(xí)框架。Theano 是一個(gè) Python 庫，速度更快，功能強(qiáng)大，可以高效的進(jìn)行數(shù)值表達(dá)和計(jì)算，可以說是從NumPy矩陣表達(dá)向tensor表達(dá)的一次跨越，為后來的深度學(xué)習(xí)框架提供了樣板。遺憾的是Theano團(tuán)隊(duì)已經(jīng)停止了該項(xiàng)目的更新，深度學(xué)習(xí)應(yīng)用框架的發(fā)展進(jìn)入到了背靠工業(yè)界大規(guī)模應(yīng)用的階段。

CNTK

CNTK是由微軟開發(fā)的深度學(xué)習(xí)框架，是一個(gè)用于商業(yè)級(jí)分布式深度學(xué)習(xí)的開源工具包。它通過定向圖將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)描述為一系列計(jì)算步驟，支持DNNs，CNNs以及自由組合的模型。今年，CNTK團(tuán)隊(duì)也宣布不再更新項(xiàng)目，讓人唏噓。

總的來說，各家的深度學(xué)習(xí)框架各有千秋，重要的是找到適合自己團(tuán)隊(duì)的，能夠快速匹配團(tuán)隊(duì)的技術(shù)棧，快速試驗(yàn)以期發(fā)揮深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用落地的商業(yè)價(jià)值。

4. 如何選擇?

那么如何在眾多的框架中做選擇呢?我推薦這3個(gè)框架：TensorFlow，Pytorch，飛槳。其他框架不是投入資源有限，就是已經(jīng)不再維護(hù)了。實(shí)際上，我們都應(yīng)該或多或少地去了解這3個(gè)框架，根據(jù)自己的實(shí)際情況可以快速選型。

如果是剛剛接觸深度學(xué)習(xí)，以學(xué)習(xí)為目的的開發(fā)者，我建議從TensorFlow和飛槳開始上手，至少目前來看，Google和百度是傾全力打造這兩個(gè)平臺(tái)的，他們已經(jīng)不只是一個(gè)深度學(xué)習(xí)框架了，更是一個(gè)AI開發(fā)的生態(tài)，從基礎(chǔ)的視頻課程，完善的文檔體系到項(xiàng)目的開放落地提供的是統(tǒng)一的服務(wù)。多說一句，百度飛槳的基礎(chǔ)文檔相當(dāng)詳細(xì)，不僅有代碼實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)流過程的教程，同時(shí)也包含了詳細(xì)的算法原理，這點(diǎn)為那些還不是那么了解相應(yīng)模型的同學(xué)帶來極大的方便。對(duì)于學(xué)有余力的同學(xué)，我建議這3個(gè)框架都可以去了解下。

如果是出于學(xué)術(shù)目的，建議從Pytorch開始，畢竟學(xué)術(shù)研究要緊盯著前沿，看文章，復(fù)現(xiàn)文章中模型的效果，選大家都用的可以節(jié)省不必要的時(shí)間成本，把重點(diǎn)放在優(yōu)化模型提升模型效果上。

如果是想要開箱即用，想將深度學(xué)習(xí)技術(shù)快速應(yīng)用到自己的場景中嘗試，我建議選擇飛槳，飛槳中有大量的實(shí)戰(zhàn)案例，套到相應(yīng)的場景基本就能迭代起來了。而且在NLP領(lǐng)域，需要對(duì)各種語言進(jìn)行預(yù)處理，毫無疑問對(duì)中文支持更好的是飛槳，比如ERNIE，其挖掘海量的中文數(shù)據(jù)，對(duì)先驗(yàn)語義知識(shí)進(jìn)行建模，增強(qiáng)了語義表達(dá)能力，可以作為NLP，NLU應(yīng)用的基礎(chǔ)服務(wù)不同的場景。

隨手貼幾個(gè)招聘網(wǎng)站上的JD，也可以幫大家明確一下方向，供參考。

5. 未來

我們處在更好的時(shí)代。

感謝互聯(lián)網(wǎng)文化，感謝開源文化，讓技術(shù)可以以指數(shù)級(jí)的速度發(fā)展，我們更要感謝在時(shí)代轉(zhuǎn)折點(diǎn)的那些引路人，沒有Google、百度等企業(yè)不遺余力地嘗試將新技術(shù)應(yīng)用于各產(chǎn)業(yè)，就沒有技術(shù)的飛速發(fā)展，就沒有更美好的生活模式的變遷。

AI技術(shù)的平民化是智能時(shí)代發(fā)展的催化劑，我們應(yīng)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，從原理到框架，再到應(yīng)用平臺(tái)化工具將其落地到所有的場景，這是未來的發(fā)展趨勢(shì)。得益于5G技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來，我們將實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。深度學(xué)習(xí)是AIoT時(shí)代的關(guān)鍵，各平臺(tái)已有的實(shí)踐落地項(xiàng)目給我們提供了產(chǎn)業(yè)落地的實(shí)現(xiàn)路徑?？芍^星星之火，漸成燎原之勢(shì)，另外，發(fā)展我國自己的AI開發(fā)生態(tài)也同樣重要，考慮到近期的“華為事件”，有備無患。

結(jié)尾，我想說的是，框架、平臺(tái)都只是為我們提供了工具，我們得明確目標(biāo)并找到合適的場景，推進(jìn)應(yīng)用在業(yè)務(wù)上的落地，實(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)值才能擁有核心競爭力。

6. 參考

1.  https://www.techspot.com/article/1582-state-of-5g-wireless/
2.  https://www.tensorflow.org/
3.  https://pytorch.org/
4.  https://www.paddlepaddle.org.cn/
5.  https://deeplearning4j.org/
6.  https://chainer.org/
7.  https://mxnet.incubator.apache.org/
8.  https://keras.io/
9.  https://github.com/Theano/Theano
10.  https://docs.microsoft.com/en-us/cognitive-toolkit/
11.  https://binaryinformatics.com/pytorch-vs-tensorflow/
12.  https://www.springboard.com/blog/deep-learning-frameworks/

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