TensorFlow與PyTorch之爭，哪個框架最適合深度學(xué)習(xí)
如果你在讀這篇文章，那么你可能已經(jīng)開始了自己的深度學(xué)習(xí)之旅。如果你對這一領(lǐng)域還不是很熟悉，那么簡單來說，深度學(xué)習(xí)使用了「人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」，這是一種類似大腦的特殊架構(gòu)，這個領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)是開發(fā)出能解決真實世界問題的類人計算機(jī)。為了幫助開發(fā)這些架構(gòu)，谷歌、Facebook 和 Uber 等科技巨頭已經(jīng)為 Python 深度學(xué)習(xí)環(huán)境發(fā)布了多款框架，這讓人們可以更輕松地學(xué)習(xí)、構(gòu)建和訓(xùn)練不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本文將詳細(xì)介紹和比較兩種流行的框架： TensorFlow 與 PyTorch。
一、谷歌的 TensorFlow
TensorFlow 是谷歌的開發(fā)者創(chuàng)造的一款開源的深度學(xué)習(xí)框架，于 2015 年發(fā)布。官方研究發(fā)布于論文《TensorFlow：異構(gòu)分布式系統(tǒng)上的大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)》。
論文地址：http://download.tensorflow.org/paper/whitepaper2015.pdf
TensorFlow 現(xiàn)已被公司、企業(yè)與創(chuàng)業(yè)公司廣泛用于自動化工作任務(wù)和開發(fā)新系統(tǒng)，其在分布式訓(xùn)練支持、可擴(kuò)展的生產(chǎn)和部署選項、多種設(shè)備(比如安卓)支持方面?zhèn)涫芎迷u。
二、Facebook 的 PyTorch
PyTorch 是最新的深度學(xué)習(xí)框架之一，由 Facebook 的團(tuán)隊開發(fā)，并于 2017 年在 GitHub 上開源。有關(guān)其開發(fā)的更多信息請參閱論文《PyTorch 中的自動微分》。
論文地址：https://openreview.net/pdf?id=BJJsrmfCZ
PyTorch 很簡潔、易于使用、支持動態(tài)計算圖而且內(nèi)存使用很高效，因此越來越受歡迎。接下來還會更詳細(xì)地介紹。
三、我們可以用 TensorFlow 和 PyTorch 構(gòu)建什么?
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)起初是被用于解決手寫數(shù)字識別或用相機(jī)識別汽車注冊車牌等簡單的分類問題。但隨著近來框架的發(fā)展以及英偉達(dá)高計算性能圖形處理單元(GPU)的進(jìn)步，我們可以在 TB 級的數(shù)據(jù)上訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并求解遠(yuǎn)遠(yuǎn)更加復(fù)雜的問題。一個值得提及的成就是在 TensorFlow 和 PyTorch 中實現(xiàn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在 ImageNet 上都達(dá)到了當(dāng)前最佳的表現(xiàn)。訓(xùn)練后的模型可以用在不同的應(yīng)用中，比如目標(biāo)檢測、圖像語義分割等等。
盡管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以基于任何框架實現(xiàn)，但結(jié)果卻并不一樣。訓(xùn)練過程有大量參數(shù)都與框架息息相關(guān)。舉個例子，如果你在 PyTorch 上訓(xùn)練一個數(shù)據(jù)集，那么你可以使用 GPU 來增強(qiáng)其訓(xùn)練過程，因為它們運行在 CUDA(一種 C++ 后端)上。TensorFlow 也能使用 GPU，但它使用的是自己內(nèi)置的 GPU 加速。因此，根據(jù)你所選框架的不同，訓(xùn)練模型的時間也總是各不相同。
1. TensorFlow 優(yōu)秀項目
Magenta：一個探索將機(jī)器學(xué)習(xí)用作創(chuàng)造過程的工具的開源研究項目：https://magenta.tensorflow.org/
Sonnet：這是一個基于 TensorFlow 的軟件庫，可用于構(gòu)建復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：https://sonnet.dev/
Ludwig：這是一個無需寫代碼就能訓(xùn)練和測試深度學(xué)習(xí)模型的工具箱：https://uber.github.io/ludwig/
2. PyTorch 優(yōu)秀項目
CheXNet：使用深度學(xué)習(xí)來分析胸部 X 光照片，能實現(xiàn)放射科醫(yī)生水平的肺炎監(jiān)測：https://stanfordmlgroup.github.io/projects/chexnet/
PYRO：這是一種用 Python 編寫的通用概率編程語言(PPL)，后端由 PyTorch 支持：https://pyro.ai (https://pyro.ai/)
Horizon：一個用于應(yīng)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)(Applied RL)的平臺：https://horizonrl.com (https://horizonrl.com/)
這些只是基于 TensorFlow 和 PyTorch 構(gòu)建的少量框架和項目。你能在 TensorFlow 和 PyTorch 的 GitHub 和官網(wǎng)上找到更多。
四、PyTorch 和 TensorFlow 對比
PyTorch 和 TensorFlow 的關(guān)鍵差異是它們執(zhí)行代碼的方式。這兩個框架都基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型張量(tensor)而工作。你可以將張量看作是下圖所示的多維數(shù)組。
1. 機(jī)制：動態(tài)圖定義與靜態(tài)圖定義
TensorFlow 框架由兩個核心構(gòu)建模塊組成：
- 一個用于定義計算圖以及在各種不同硬件上執(zhí)行這些圖的運行時間的軟件庫。
- 一個具有許多優(yōu)點的計算圖(后面很快就會介紹這些優(yōu)點)。
計算圖是一種將計算描述成有向圖的抽象方式。圖是一種由節(jié)點(頂點)和邊構(gòu)成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是由有向的邊成對連接的頂點的集合。
當(dāng)你在 TensorFlow 中運行代碼時，計算圖是以靜態(tài)方式定義的。與外部世界的所有通信都是通過 tf.Sessionobject 和 tf.Placeholder 執(zhí)行，它們是在運行時會被外部數(shù)據(jù)替換的張量。例如，看看以下代碼段：
下圖是 TensorFlow 中運行代碼之前以靜態(tài)方式生成計算圖的方式。計算圖的核心優(yōu)勢是能實現(xiàn)并行化或依賴驅(qū)動式調(diào)度(dependency driving scheduling)，這能讓訓(xùn)練速度更快，更有效率。
類似于 TensorFlow，PyTorch 也有兩個核心模塊：
- 計算圖的按需和動態(tài)構(gòu)建
- Autograd：執(zhí)行動態(tài)圖的自動微分
可以在下圖中看到，圖會隨著執(zhí)行過程而改變和執(zhí)行節(jié)點，沒有特殊的會話接口或占位符。整體而言，這個框架與 Python 語言的整合更緊密，大多數(shù)時候感覺更本地化。因此，PyTorch 是更 Python 化的框架，而 TensorFlow 則感覺完全是一種新語言。
根據(jù)你所用的框架，在軟件領(lǐng)域有很大的不同。TensorFlow 提供了使用 TensorFlow Fold 庫實現(xiàn)動態(tài)圖的方式，而 PyTorch 的動態(tài)圖是內(nèi)置的。
2. 分布式訓(xùn)練
PyTorch 和 TensorFlow 的一個主要差異特點是數(shù)據(jù)并行化。PyTorch 優(yōu)化性能的方式是利用 Python 對異步執(zhí)行的本地支持。而用 TensorFlow 時，你必須手動編寫代碼，并微調(diào)要在特定設(shè)備上運行的每個操作，以實現(xiàn)分布式訓(xùn)練。但是，你可以將 PyTorch 中的所有功能都復(fù)現(xiàn)到 TensorFlow 中，但這需要做很多工作。下面的代碼片段展示了用 PyTorch 為模型實現(xiàn)分布式訓(xùn)練的簡單示例：
3. 可視化
在訓(xùn)練過程的可視化方面，TensorFlow 更有優(yōu)勢。可視化能幫助開發(fā)者跟蹤訓(xùn)練過程以及實現(xiàn)更方便的調(diào)試。TensorFlow 的可視化庫名為 TensorBoard。PyTorch 開發(fā)者則使用 Visdom，但是 Visdom 提供的功能很簡單且有限，所以 TensorBoard 在訓(xùn)練過程可視化方面更好。
TensorBoard 的特性：
- 跟蹤和可視化損失和準(zhǔn)確度等指標(biāo)
- 可視化計算圖(操作和層)
- 查看權(quán)重、偏差或其它張量隨時間變化的直方圖
- 展示圖像、文本和音頻數(shù)據(jù)
- 分析 TensorFlow 程序
在 TensorBoard 中可視化訓(xùn)練
Visdom 的特性：
- 處理回調(diào)
- 繪制圖表和細(xì)節(jié)
- 管理環(huán)境
在 Visdom 中可視化訓(xùn)練
4. 生產(chǎn)部署
在將訓(xùn)練好的模型部署到生產(chǎn)方面，TensorFlow 顯然是贏家。我們可以直接使用 TensorFlow serving 在 TensorFlow 中部署模型，這是一種使用了 REST Client API 的框架。
使用 PyTorch 時，在最新的 1.0 穩(wěn)定版中，生產(chǎn)部署要容易一些，但它沒有提供任何用于在網(wǎng)絡(luò)上直接部署模型的框架。你必須使用 Flask 或 Django 作為后端服務(wù)器。所以，如果要考慮性能，TensorFlow serving 可能是更好的選擇。
5. 用 PyTorch 和 TensorFlow 定義一個簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
我們比較一下如何在 PyTorch 和 TensorFlow 中聲明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
在 PyTorch 中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個類，我們可以使用 torch.nn 軟件包導(dǎo)入構(gòu)建架構(gòu)所必需的層。所有的層都首先在 __init__() 方法中聲明，然后在 forward() 方法中定義輸入 x 在網(wǎng)絡(luò)所有層中的遍歷方式。最后，我們聲明一個變量模型并將其分配給定義的架構(gòu)(model = NeuralNet())。
近期 Keras 被合并到了 TensorFlow 庫中，這是一個使用 TensorFlow 作為后端的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架。從那時起，在 TensorFlow 中聲明層的句法就與 Keras 的句法類似了。首先，我們聲明變量并將其分配給我們將要聲明的架構(gòu)類型，這里的例子是一個 Sequential() 架構(gòu)。
接下來，我們使用 model.add() 方法以序列方式直接添加層。層的類型可以從 tf.layers 導(dǎo)入，如下代碼片段所示：
五、TensorFlow 和 PyTorch 的優(yōu)缺點
TensorFlow和PyTorch各有其優(yōu)缺點。
TensorFlow 的優(yōu)點：
- 簡單的內(nèi)置高級 API
- 使用 TensorBoard 可視化訓(xùn)練
- 通過 TensorFlow serving 容易實現(xiàn)生產(chǎn)部署
- 很容易的移動平臺支持
- 開源
- 良好的文檔和社區(qū)支持
TensorFlow 的缺點：
- 靜態(tài)圖
- 調(diào)試方法
- 難以快速修改
PyTorch 的優(yōu)點
- 類 Python 的代碼
- 動態(tài)圖
- 輕松快速的編輯
- 良好的文檔和社區(qū)支持
- 開源
- 很多項目都使用 PyTorch
PyTorch 的缺點：
- 可視化需要第三方
- 生產(chǎn)部署需要 API 服務(wù)器
六、PyTorch 和 TensorFlow 安裝、版本、更新
PyTorch 和 TensorFlow 近期都發(fā)布了新版本：PyTorch 1.0(首個穩(wěn)定版)和 TensorFlow 2.0(beta 測試版)。這兩個版本都有重大的更新和新功能，讓訓(xùn)練過程更高效、流暢和強(qiáng)大。
如果你要在自己的機(jī)器上安裝這些框架的最新版，你可以用源代碼 build 或通過 pip 安裝。
1. PyTorch 安裝
macOS 和 Linux
- pip3 install torch torchvision
Windows
- pip3 install https://download.pytorch.org/whl/cu90/torch-1.1.0-cp36-cp36m-win_amd64.whl
- pip3 install https://download.pytorch.org/whl/cu90/torchvision-0.3.0-cp36-cp36m-win_amd64.whl
2. TensorFlow 安裝
macOS、Linux 和 Windows
- # Current stable release for CPU-only
- pip install tensorflow
- # Install TensorFlow 2.0 Beta
- pip install tensorflow==2.0.0-beta1
要檢查安裝是否成功，可使用命令提示符或終端按以下步驟操作。
七、TensorFlow 還是 PyTorch?我的建議
TensorFlow 是一種非常強(qiáng)大和成熟的深度學(xué)習(xí)庫，具有很強(qiáng)的可視化功能和多個用于高級模型開發(fā)的選項。它有面向生產(chǎn)部署的選項，并且支持移動平臺。另一方面，PyTorch 框架還很年輕，擁有更強(qiáng)的社區(qū)動員，而且它對 Python 友好。
我的建議是如果你想更快速地開發(fā)和構(gòu)建 AI 相關(guān)產(chǎn)品，TensorFlow 是很好的選擇。建議研究型開發(fā)者使用 PyTorch，因為它支持快速和動態(tài)的訓(xùn)練。
原文鏈接：https://builtin.com/data-science/pytorch-vs-tensorflow
【本文是51CTO專欄機(jī)構(gòu)“機(jī)器之心”的原創(chuàng)譯文，微信公眾號“機(jī)器之心( id: almosthuman2014)”】
