2022年,我该用JAX吗?GitHub 1.6万星,这个年轻的工具并不完美

人工智能 深度学习 新闻
近年来,谷歌于 2018 年推出的 JAX 迎来了迅猛发展,很多研究者对其寄予厚望,希望它可以取代 TensorFlow 等众多深度学习框架。但 JAX 是否真的适合所有人使用呢?这篇文章对 JAX 的方方面面展开了深入探讨,希望可以给研究者选择深度学习框架时提供有益的参考。

​自 2018 年底推出以来,JAX 的受欢迎程度一直在稳步提升。2020 年,DeepMind 宣布使用 JAX 来加速其研究。越来越多来自谷歌大脑(Google Brain)和其他机构的项目也都在使用 JAX。 

目前,在 JAX 的 GitHub 项目主页,Star 量已经达到了 16.3k。​

项目地址:https://github.com/google/jaxJAX 是一个非常有前途的项目,并且用户一直在稳步增长。JAX 已经在深度学习、机器人 / 控制系统、贝叶斯方法和科学模拟等诸多领域得到了广泛应用。

如此,是否意味着 JAX 也将成为下一个大型深度学习框架?近日,发表在 AssemblyAI 博客上的文章《Why You Should (or Shouldn't) Be Using JAX in 2022》中,作者 Ryan O'Connor 为我们深入解读了 JAX 的概念、使用 JAX 的理由以及是否应该使用 JAX 等。

JAX 简介

JAX 不是一个深度学习框架或库,其设计初衷也不是成为一个深度学习框架或库。简而言之,JAX 是一个包含可组合函数转换的数值计算库。正如我们所看到的,深度学习只是 JAX 功能的一小部分:

​JAX 的定位科学计算(Scientific Computing)和函数转换(Function Transformations)的交叉融合,具有除训练深度学习模型以外的一系列能力,包括如下:

  • 即时编译(Just-in-Time Compilation)
  • 自动并行化(Automatic Parallelization)
  • 自动向量化(Automatic Vectorization)
  • 自动微分(Automatic Differentiation)

使用 JAX 的原因有哪些?

简而言之,是速度。这是 JAX 与任何用例相关的一种通用能力。让我们使用 NumPy 和 JAX 对矩阵的前三个幂求和(按元素)。 

首先是 NumPy 实现。我们发现,该计算大约需要 851 毫秒。​

 

然后使用 JAX 实现该计算:JAX 仅在 5.54 毫秒内执行完成该计算,速度是 NumPy 的 150 倍以上。

​JAX 的速度比 NumPy 快了 N 个数量级。需要注意,JAX 使用的是 TPU,NumPy 使用了 CPU,以此强调 JAX 的速度上限远高于 NumPy。

作者列出了以下六条可能想要使用 JAX 的理由:

  • NumPy 加速器。NumPy 是使用 Python 进行科学计算的基础包之一,但它仅与 CPU 兼容。JAX 提供了 NumPy 的实现(具有几乎相同的 API),可以非常轻松地在 GPU 和 TPU 上运行。对于许多用户而言,仅此一项功能就足以证明使用 JAX 的合理性;
  • XLA。XLA(Accelerated Linear Algebra)是专为线性代数设计的全程序优化编译器。JAX 建立在 XLA 之上,显著提高了计算速度上限;
  • JIT。JAX 允许用户使用 XLA 将自己的函数转换为即时编译(JIT)版本。这意味着可以通过在计算函数中添加一个简单的函数装饰器(decorator)来将计算速度提高几个数量级;
  • Auto-differentiation。JAX 将 Autograd(自动区分原生 Python 代码和 NumPy 代码)和 XLA 结合在一起,它的自动微分能力在科学计算的许多领域都至关重要。JAX 提供了几个强大的自动微分工具;
  • 深度学习。虽然 JAX 本身不是深度学习框架,但它的确为深度学习提供了一个很好的基础。很多构建在 JAX 之上的库旨在提供深度学习功能,包括 Flax、Haiku 和 Elegy。甚至在最近的一些 PyTorch 与 TensorFlow 文章中强调了 JAX 作为一个值得关注的「框架」,并推荐其用于基于 TPU 的深度学习研究。JAX 对 Hessians 的高效计算也与深度学习相关,因为它们使高阶优化技术更加可行;
  • 通用可微分编程范式(General Differentiable Programming Paradigm )。虽然我们可以使用 JAX 来构建和训练深度学习模型,但它也为通用可微编程提供了一个框架。这意味着 JAX 可以通过使用基于模型的机器学习方法来解决问题,从而可以利用数十年研究建立起的给定领域的先验知识。​

JAX 转换

​到目前为止,我们已经讨论了 XLA 以及它如何允许 JAX 在加速器上实现 NumPy;但请记住,这只是 JAX 定义的一半。JAX 不仅为强大的科学计算提供了工具,而且还为可组合的函数转换提供了工具。

举例来说如果我们对标量值函数 f(x) 使用梯度函数转换,那么我们将得到一个向量值函数 f'(x),它给出了函数在 f(x) 域中任意点的梯度。​

在函数上使用 grad() 可以让我们得到域中任意点的梯度

​JAX 包含了一个可扩展系统来实现这样的函数转换,有四种典型方式:

  • Grad() 进行自动微分;
  • Vmap() 自动向量化;
  • Pmap() 并行化计算;
  • Jit() 将函数转换为即时编译版本。

使用 grad() 进行自动微分

训练机器学习模型需要反向传播。在 JAX 中,就像在 Autograd 中一样,用户可以使用 grad() 函数来计算梯度。

举例来说,如下是对函数 f(x) = abs(x^3) 求导。我们可以看到,当求 x=2 和 x=-3 处的函数及其导数时,我们得到了预期的结果。​

那么 grad() 能微分到什么程度?JAX 通过重复应用 grad() 使得微分变得很容易,如下程序我们可以看到,输出函数的三阶导数给出了 f'''(x)=6 的恒定预期输出。

可能有人会问,grad() 可以用在哪些方面?标量值函数:grad() 采用标量值函数的梯度,将标量 / 向量映射到标量函数。此外还有向量值函数:对于将向量映射到向量的向量值函数,梯度的类似物是雅可比矩阵。使用 jacfwd() 和 jacrev(),JAX 返回一个函数,该函数在域中的某个点求值时产生雅可比矩阵。

​从深度学习角度来看,JAX 使得计算 Hessians 变得非常简单和高效。由于 XLA,JAX 可以比 PyTorch 更快地计算 Hessians,这使得实现诸如 AdaHessian 这样的高阶优化更加快速。

下面代码是在 PyTorch 中对一个简单的输入总和进行 Hessian:​

正如我们所看到的,上述计算大约需要 16.3 ms,在 JAX 中尝试相同的计算:

使用 JAX,计算仅需 1.55 毫秒,比 PyTorch 快 10 倍以上:JAX 可以非常快速​地计算 Hessians,使得高阶优化更加可行。

使用 vmap() 自动向量化

JAX 在其 API 中还有另一种变换:vmap() 自动向量化。以下是矢量化向量加法展示:​

使用 pmap() 实现自动并行化

分布式计算变得越来越重要,在深度学习中尤其如此,如下图所示,SOTA 模型已经发展到超大规模。

​得益于 XLA,JAX 可以轻松地在加速器上进行计算,但 JAX 也可以轻松地使用多个加速器进行计算,即使用单个命令 - pmap() 执行 SPMD 程序的分布式训练。

我们以向量矩阵乘法为例,如下为非并行向量矩阵乘法:​


使用 JAX,我们可以轻松地将这些计算分布在 4 个 TPU 上,只需将操作包装在 pmap() 中即可。这允许用户在每个 TPU 上同时执行一个点积,显着提高了计算速度(对于大型计算而言)。


使用 jit() 加快功能

JIT 编译是一种执行代码的方法,介于解释(interpretation)和 AoT(ahead-of-time)编译之间。重要的是,JIT 编译器在运行时将代码编译成快速的可执行文件,但代价是首次运行速度较慢。

JIT 不是一次将一个操作分配给 GPU 内核,而是使用 XLA 将一系列操作编译成一个内核,从而为函数提供端到端编译的高效 XLA 实现。

以下图为例,代码定义了一个函数:用三种方式计算 5000 x 5000 矩阵——一次使用 NumPy,一次使用 JAX,还有一次在 JIT 编译的函数版本上使用 JAX。我们首先在 CPU 上进行实验:​

JAX 对于逐元素计算明显更快,尤其是在使用 jit 时。

我们看到 JAX 比 NumPy 快 2.3 倍以上,当我们 JIT 函数时,JAX 比 NumPy 快 30 倍。这些结果已经令人印象深刻,但让我们继续看,让 JAX 在 TPU 上进行计算:

​当 JAX 在 TPU 上执行相同的计算时,它的相对性能会进一步提升(NumPy 计算仍在 CPU 上执行,因为它不支持 TPU 计算)在这种情况下,我们可以看到 JAX 比 NumPy 快了惊人的 13 倍,如果我们同时在 TPU 上 JIT 函数和计算,我们会发现 JAX 比 NumPy 快 80 倍。

当然,这种速度的大幅提升是有代价的。JAX 对 JIT 允许的函数进行了限制,尽管通常允许仅涉及上述 NumPy 操作的函数。此外,通过 Python 控制流进行 JIT 处理存在一些限制,因此在编写函数时须牢记这一点。

2022 年了,我该用 JAX 吗?

很遗憾,这个问题的答案还是「视情况而定」。是否迁移到 JAX 取决于你的情况和目标。为具体分析是否应该(或不应该)在 2022 年使用 JAX,这里将建议汇总到下面的流程图中,并针对不同的兴趣领域提供不同的图表。​

科学计算

​如果你对 JAX 在通用计算感兴趣,首先要问的问题就是——是否只尝试在加速器上运行 NumPy?如果答案是肯定的,那么你显然应该开始迁移到 JAX。

如果你不只处理数字而是参与动态计算建模,那么是否应该使用 JAX 将取决于具体用例。如果大部分工作是在 Python 中使用大量自定义代码完成的,那么开始学习 JAX 以增强工作流程是值得的。

如果大部分工作不在 Python 中,但你想构建的是某种基于模型 / 神经网络的混合系统,那么使用 JAX 可能是值得的。

如果大部分工作不使用 Python,或者你正在使用一些专门的软件进行研究(热力学、半导体等),那么 JAX 可能是不合适的工具,除非你想从这些程序中导出数据,用来做自定义计算。如果你感兴趣的领域更接近物理 / 数学并包含计算方法(动力系统、微分几何、统计物理)并且大部分工作都在例如 Mathematica 上,那么坚持使用目前的工具才是值得的,特别是在已有大型自定义代码库的情形下。​

深度学习

​虽然我们已经强调过,JAX 不是专为深度学习构建的通用框架,但 JAX 速度很快且具有自动微分功能,你肯定想知道使用 JAX 进行深度学习是什么样的。

若想在 TPU 上进行训练,那么你应该开始使用 JAX,尤其是如果当前正在使用的是 PyTorch。虽然有 PyTorch-XLA 存在,但使用 JAX 进行 TPU 训练绝对是更好的体验。如果你正在研究的是「非标准」架构 / 建模,例如 SDE-Nets,那么也绝对应该尝试一下 JAX。此外,如果你想利用高阶优化技术,JAX 也是要尝试的东西。

如果你不是在构建特殊的架构,只是在 GPU 上训练常见的架构,那么你现在可能应该坚持使用 PyTorch 或 TensorFlow。然而,这个建议可能会在未来一两年内快速发生变化。虽然 PyTorch 仍然在研究领域占据主导地位,但使用 JAX 的论文数量一直在稳步增长。随着 DeepMind 和谷歌重量级玩家不断开发用于 JAX 的高级深度学习 API,在几年内 JAX 可能会出现爆炸性的增长率。

这意味着你至少应该稍微熟悉一下 JAX,如果你是研究人员的话更应如此。​

深度学习初学者


但如果我只是个初学者呢?情况会有些不一样。

如果你有兴趣了解深度学习并实现一些想法,你应该使用 JAX 或 PyTorch。如果你想自上而下学习深度学习,或有一些 Python 软件的经验,则应该从 PyTorch 入手。如果你想自下而上地学习深度学习,或具有数学背景,你可能会发现 JAX 很直观。在这种情况下,在进行任何大型项目之前,请确保了解如何使用 JAX。

如果你对深度学习感兴趣,又想转行相关的职位,那么你需要使用 PyTorch 或 TensorFlow。尽管最好是同时熟悉两个框架,但你必须知道 TensorFlow 被普遍认为是「行业」框架,不同框架的职位发布数量证明了这一点:

如果你是一个没有数学或软件背景但想学习深度学习的初学者,那么你不会想使用 JAX。相反,Keras 是更好的选择。

不该使用 JAX 的四条理由

​虽然上文已经讨论了很多 JAX 的正面反馈,它有潜力极大地提升用户程序的性能。但作者同时列举了以下四条不该使用 JAX 的理由:

  • ​JAX 仍然被官方认为是一个实验性框架。JAX 是一个相对「年轻」的项目。目前,JAX 仍被视为一个研究项目,而不是成熟的谷歌产品,因此如果用户正在考虑迁移到 JAX,请记住这一点;
  • 使用 JAX 一定要勤勉。调试的时间成本,或者更严重的是,未跟踪副作用(untracked side effects)的风险可能导致那些没有扎实掌握函数式编程的用户不适用 JAX。在开始将它用于正式项目之前,请确保自己了解使用 JAX 的常见缺陷;
  • JAX 没有针对 CPU 计算进行优化。鉴于 JAX 是以「加速器优先」的方式开发的,因此每个操作的分派并未针对 JAX 进行完全优化。在某些情况下,NumPy 实际上可能比 JAX 更快,尤其是对于小型程序而言,这是因为 JAX 引入了开销;
  • JAX 与 Windows 不兼容。目前在 Windows 上不支持 JAX。如果用户使用 Windows 系统但仍想尝试 JAX,可以使用 Colab 或将其安装在虚拟机(VM)上。​
责任编辑:张燕妮 来源: 机器之心
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