深度学习之五：使用GPU加速神经网络的训练

使用神经网络训练，一个最大的问题就是训练速度的问题，特别是对于深度学习而言，过多的参数会消耗很多的时间，在神经网络训练过程中，运算最多的是关于矩阵的运算，这个时候就正好用到了GPU，GPU本来是用来处理图形的，但是因为其处理矩阵计算的高效性就运用到了深度学习之中。Theano支持GPU编程，但是只是对英伟达的显卡支持，而且对于Python编程而言，修改一些代码就可以使用GPU来实现加速了。

 

一，首先需要安装GPU环境（说明：我开始按照官网步骤发生了错误，下面是我综合网上一些资料最后安装成功之后的环境配置，本人机器能用）

 

1. 安装Cuda，Cuda是英伟达公司提供的GPU开发环境，可以直接在官网上下载，我安装的是windows64位版本 ，按照制定的步骤一步一步安装即可    
2. 安装visual studio2010(cuda支持visual studio 2010，2012，2013)  ，我就是因为没有装这个导致一直报错：找不到nvcc编译器
3. 安装Cuda过程中会自动在windows的环境变量里面加上了CUDA_PATH这个环境变量:C:\Program Files\NVIDIA GPU Computing Toolkit\CUDA\v7.5
4. 在环境变量中的path配置如下：

C:\Program Files\NVIDIA GPU Computing Toolkit\CUDA\v7.5\bin;
C:\Program Files\NVIDIA GPU Computing Toolkit\CUDA\v7.5\libnvvp;

 
   5.在前面的文章中介绍了windows下安装theano，在里面有一个 .theanorc.txt文件，如果需要使用GPU，那么需要将其文件改为：

[global]
device=gpu
floatX=float32
openmp=False

[blas]
ldflags=
[gcc]
cxxflags = -ID:\Anaconda2\MinGW

[cuda]
root=C:\Program Files\NVIDIA GPU Computing Toolkit\CUDA\v7.5\bin

[nvcc]
fastmath=True
flags= -LD:\Anaconda2\libs
compiler_bindir=C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 10.0\VC\bin

如果需要验证是否成功开启了GPU ，可以使用下面的测试程序（见了解gputest.py），如果显示使用的是GPU则表示成功！

到这里，就可以使用Theano来编写GPU加速的程序了，在theano中编写Theano程序需要注意几个点：

1.Python中的浮点数默认是float64位的，但是如果需要用到cuda那么必须将浮点数转成float32，在上面的.theanorc.txt中就是使用了floatX=float32,就是为了这点，当然还是几种其他的方法,例如使用Tensor的T.fvector方法等

2.使用GPU编程，在Theano中得shared parameters需要全部转成float32位数据，array必须使用dtype=float32进行定义或者使用asType等方法转化成float32

3.从GPU中存取数据一定要小心，如果需要将全部数据存入GPU中，那么最好是讲参数全部变成32位的shared parameters，避免或者谨慎使用gpu_from_host方法

了解了上面的内容，我们就可以将前一篇文章的代码改成可以在GPU上运行的代码了，改动的地方如下：

二、将数据类型全部改成float32位的

np.random.seed(0)
train_X, train_y = datasets.make_moons(5000, noise=0.20)
train_y_onehot = np.eye(2)[train_y]



#设置参数
num_example=len(train_X)
nn_input_dim=2 #输入神经元个数
nn_output_dim=2 #输出神经元个数
nn_hdim=1000
#梯度下降参数
epsilon=np.float32(0.01) #learning rate
reg_lambda=np.float32(0.01) #正则化长度

#设置共享变量
# GPU NOTE: Conversion to float32 to store them on the GPU!
X = theano.shared(train_X.astype('float32')) # initialized on the GPU
y = theano.shared(train_y_onehot.astype('float32'))
# GPU NOTE: Conversion to float32 to store them on the GPU!
w1 = theano.shared(np.random.randn(nn_input_dim, nn_hdim).astype('float32'), name='W1')
b1 = theano.shared(np.zeros(nn_hdim).astype('float32'), name='b1')
w2 = theano.shared(np.random.randn(nn_hdim, nn_output_dim).astype('float32'), name='W2')
b2 = theano.shared(np.zeros(nn_output_dim).astype('float32'), name='b2')


w1.set_value((np.random.randn(nn_input_dim, nn_hdim) / np.sqrt(nn_input_dim)).astype('float32'))
    
b1.set_value(np.zeros(nn_hdim).astype('float32'))
    
w2.set_value((np.random.randn(nn_hdim, nn_output_dim) / np.sqrt(nn_hdim)).astype('float32'))
    
b2.set_value(np.zeros(nn_output_dim).astype('float32'))

 这里把输入数值traing_X和train_y也设置成theano的共享变量，也是为了将数据全部放入GPU中进行运算。其他的过程都不变，整个代码见下：

# -*- coding: utf-8 -*-
import theano
import theano.tensor as T
import numpy as np
from sklearn import datasets
import matplotlib.pyplot as plt
import time
#定义数据类型

np.random.seed(0)
train_X, train_y = datasets.make_moons(5000, noise=0.20)
train_y_onehot = np.eye(2)[train_y]



#设置参数
num_example=len(train_X)
nn_input_dim=2 #输入神经元个数
nn_output_dim=2 #输出神经元个数
nn_hdim=1000
#梯度下降参数
epsilon=np.float32(0.01) #learning rate
reg_lambda=np.float32(0.01) #正则化长度

#设置共享变量
# GPU NOTE: Conversion to float32 to store them on the GPU!
X = theano.shared(train_X.astype('float32')) # initialized on the GPU
y = theano.shared(train_y_onehot.astype('float32'))
# GPU NOTE: Conversion to float32 to store them on the GPU!
w1 = theano.shared(np.random.randn(nn_input_dim, nn_hdim).astype('float32'), name='W1')
b1 = theano.shared(np.zeros(nn_hdim).astype('float32'), name='b1')
w2 = theano.shared(np.random.randn(nn_hdim, nn_output_dim).astype('float32'), name='W2')
b2 = theano.shared(np.zeros(nn_output_dim).astype('float32'), name='b2')

#前馈算法
z1=X.dot(w1)+b1
a1=T.tanh(z1)
z2=a1.dot(w2)+b2
y_hat=T.nnet.softmax(z2)
#正则化项
loss_reg=1./num_example * reg_lambda/2 * (T.sum(T.square(w1))+T.sum(T.square(w2)))
loss=T.nnet.categorical_crossentropy(y_hat,y).mean()+loss_reg
#预测结果
prediction=T.argmax(y_hat,axis=1)

forword_prop=theano.function([],y_hat)
calculate_loss=theano.function([],loss)
predict=theano.function([],prediction)


#求导
dw2=T.grad(loss,w2)
db2=T.grad(loss,b2)
dw1=T.grad(loss,w1)
db1=T.grad(loss,b1)

#更新值
gradient_step=theano.function(
    [],
    updates=(
        (w2,w2-epsilon*dw2),
        (b2,b2-epsilon*db2),
        (w1,w1-epsilon*dw1),
        (b1,b1-epsilon*db1)

    )
)

def build_model(num_passes=20000,print_loss=False):

    w1.set_value((np.random.randn(nn_input_dim, nn_hdim) / np.sqrt(nn_input_dim)).astype('float32'))
    b1.set_value(np.zeros(nn_hdim).astype('float32'))
    w2.set_value((np.random.randn(nn_hdim, nn_output_dim) / np.sqrt(nn_hdim)).astype('float32'))
    b2.set_value(np.zeros(nn_output_dim).astype('float32'))

    for i in xrange(0,num_passes):
        start=time.time()
        gradient_step()
        end=time.time()
        # print "time require:"
        # print(end-start)
        if print_loss and i%1000==0:
            print "Loss after iteration %i: %f" %(i,calculate_loss())

def accuracy_rate():
    predict_result=predict()
    count=0;
    for i in range(len(predict_result)):
        realResult=train_y[i]
        if(realResult==predict_result[i]):
            count+=1
    print "count"
    print count
    print "the correct rate is :%f" %(float(count)/len(predict_result))

def plot_decision_boundary(pred_func):
    # Set min and max values and give it some padding
    x_min, x_max = train_X[:, 0].min() - .5, train_X[:, 0].max() + .5
    y_min, y_max = train_X[:, 1].min() - .5, train_X[:, 1].max() + .5
    h = 0.01
    # Generate a grid of points with distance h between them
    xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h), np.arange(y_min, y_max, h))
    # Predict the function value for the whole gid
    Z = pred_func(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
    Z = Z.reshape(xx.shape)
    # Plot the contour and training examples
    plt.contourf(xx, yy, Z, cmap=plt.cm.Spectral)
    plt.scatter(train_X[:, 0], train_X[:, 1], c=train_y, cmap=plt.cm.Spectral)
    plt.show()


build_model(print_loss=True)
accuracy_rate()


# plot_decision_boundary(lambda x: predict(x))
# plt.title("Decision Boundary for hidden layer size 3")

 程序中为了使得加速效果更明显，将隐含层的个数调整为1000个然后将训练参数个数调整到5000个，首先来看一下执行结果：

然后我们对比一下在使用GPU加速之前和使用GPU加速之后一次迭代的时间代价,需要使用cpu只需要将上面配置文件的device的gpu改成cpu即可

在使用GPU之后，一次迭代gradient_step()的时间是：

 

使用CPU运行的结果是：

我的显卡是GT720，属于比较低端的显卡，我的CPU是Inter i5，算是还不多的CPU，但是就算配置相差大，但是加速效果也有5倍之多，在稍微好点的GPU中，这个实验可以跑到7.5ms,加速足足有40倍之多，所以GPU对训练过程的加速效果还是显而易见的