雷锋网(公众号：雷锋网)按：本文作者潘汀，合肥工业大学计算机专业大三本科生，中科院深圳先进院集成所MMLAB访问学生。原ACM-ICPC算法竞赛选手，2015年获CCPC铜牌。2015年初开始研究机器学习，研究兴趣集中于对深度学习理论、应用(CV&NLP)及系统架构设计的综合探索。关于深度学习在面部情感分析方面应用的论文被《自动化学报》录用。
| 虚拟框架杀入
从发现问题到解决问题
半年前的这时候，暑假，我在SIAT MMLAB实习。看着同事一会儿跑Torch，一会儿跑MXNet，一会儿跑Theano。
SIAT的服务器一般是不给sudo权限的，我看着同事挣扎在编译这一坨框架的海洋中，开始思考是否可以写一个框架：
这样，利用工厂模式只编译执行部件的做法，只需编译唯一的后端即可，框架的不同仅仅在于前端脚本的不同。
Caffe2Keras的做法似乎是这样，但Keras本身是基于Theano的编译后端，而我们的更希望Theano都不用编译。
当我9月份拍出一个能跑cifar10的大概原型的时候：
我为这种怪异的写法取名叫CGVM(Computational Graph Virtual Machine)然后过了几天，在微博上看到了陈天奇在MXNet的进一步工作NNVM的发布 (o(╯□╰)o)......
NNVM使用2000行模拟出了TensorFlow，我大概用了500行模拟出了Caffe1。
VM(Virtual Machine)的想法其实是一个很正常的想法，这几年我们搞了很多新框架，名字一个比一个炫，但是本质都差不多，框架的使用者实际上是苦不堪言的：
这篇paper使用了A框架，我要花1天配置A框架。
这篇paper使用了B框架，我要花1天配置B框架。
.......
正如LLVM不是一种编译器，NNVM也不是一种框架，看起来更像是框架的屠杀者。
NNVM的可行性恰恰证明了现行的各大框架底层的重复性，而上层的多样性只是一个幌子。
我们真的需要为仅仅是函数封装不同的框架买单吗？这是值得思考的。
| 计算图走向成熟
1、计算图的两种形式
计算图最早的出处应该是追溯到Bengio在09年的《Learning Deep Architectures for AI》，Bengio使用了有向图结构来描述神经网络的计算:
如图，符号集合{*，+，sin} 构成图的结点，整张图可看成三部分：输入结点、输出结点、从输入到输出的计算函数。
随后在Bengio组的Theano框架执行中，Graph就被隐式应用于Op的连接。不过这时候，Op还是执行时-动态编译的。
Caffe1中计算图其实就是Net，因为Net可以被Graph模拟出来（CGVM和Caffe2Keras都实现了）。
贾扬清在Caffe1中显式化了计算图的表示，用户可以通过编辑net.prototxt来设计计算图。
Caffe1在Jonathan Long和Evan Shelhamer接手后，他们开发了PyCaffe。PyCaffe通过Python天然的工厂(__getattr__)，实现了net.prototxt的隐式生成。
之后的Caffe2，也就直接取消了net.prototxt的编辑，同样利用Python的(__getattr__)获取符号类型定义。
Caffe1带来一种新的计算图组织Op的描述方式，不同于Theano直接翻译Op为C执行代码，然后动态编译，软件工程中的高级设计模式——工厂模式被广泛使用。
计算图被划分为三个阶段，定义阶段、构造阶段、执行阶段：
1、定义阶段：定义Layer/Op的name、type、bottom(input)，top(output)及预设参数。
2、构造阶段：通过工厂模式，由字符串化的定义脚本构造类对象。
3、执行阶段：根据传入的bottom(input)，得到额外参数(如shape)，此时计算图才能开始执行。阶段划分带来的主要问题是限制了编译代码的完整性和优化程度。
在Theano中，C代码生成是最后一步，编译前你可以组合数个细粒度符号，依靠编译器做一次硬件执行上的优化。
而工厂模式编译符号时只考虑了单元，编译器没有上下文可供参考优化，故最终只能顺序执行多个预先编译的符号单元。
当符号粒度过细时，一个Layer的实现就会变成连续执行多个子过程，导致“TensorFlowSlow”。
2、计算图作为中间表示(IR)
PyCaffe和Caffe2将定义阶段移到Python中，而将构造和执行阶段保留在C++中做法，是计算图作为IR的思想启蒙。
Python与C++最大的不同在于：一个是脚本代码，用于前端。一个是本地代码，用于后端。
脚本代码创建/修改模型方便(无需因模型变动而重新编译)、执行慢，本地代码则正好相反。
两者取长补短，所以深度学习框架在2016年，迎来了前后端开发的黄金时代。
如上图，无论是9月份先提出的NNVM，还是最近Intel曝光的Nervana，都分离了前后端。
后端的独立，不仅减少了编译工作，最大的优势在于降低了传统框架做跨设备计算的代码耦合度。
在paper每周都有一大堆的现在，如果后端的每一次变动都要大量修改前端，那么框架的维护开销是非常大的。
在前端定义用于描述输入-输出关系的计算图有着良好的交互性，我们可以通过函数和重载脚本语言的操作符，定义出媲美MATLAB的运算语言，这些语言以显式的Tensor作为数据结构，Operator作为计算符和函数，Theano和MXNet都是这样隐蔽处理由表达式向计算图过渡的。
而Caffe2则比较直接，你需要先创建一个Graph，然后显示地调用Graph.AddOperator(xxx) TensorFlow同样可以显式化处理Graph。
与用户交互得到的计算图描述字串是唯一的，但是与用户交互的方式却是不唯一的。
所以IR之上，分为两派：
第一派要搞自己的API，函数封装非常有个性，宣示这是自己的专利、独门语言。
第二派不搞自己的API，反而去模拟现有的API，表示我很低调。
显然，用户更喜欢用自己熟悉框架的写法去描述模型，不喜欢天天背着个函数速查手册。
3、计算图优化
用于中间表示得到的计算图描述最好不要直接构造，因为存在冗余的求解目标，且可共享变量尚未提取。
当限制计算图描述为有向无环图(DAG)时，一些基本的图论算法便可应用于计算图描述的化简与变换。
陈天奇在今年的MSR Talk：Programming Models and Systems Design for Deep Learning中，总结了计算图优化的三个点：
①依赖性剪枝
分为前向传播剪枝，例：已知A+B=X，A+B=Y，求X？
反向传播剪枝, 例：A+B=X，A+B=Y，求X、Y，dX/dA？
根据用户的求解需求，可以剪掉没有求解的图分支。
②符号融合
符号融合的自动实现是困难的，因为Kernel基本不再实时编译了，所以更多体现在符号粗细粒度的设计上。
粗粒度的符号融合了数个细粒度的符号，一次编译出连续多个执行步骤的高效率代码。
粗粒度和细粒度并无好坏区分，一个速度快，一个更灵活。
从贪心角度，VM框架通常会提供粗细粒度两种实现給用户，因而需要更多人力维护编译后端。
③内存共享
Caffe1对于激活函数大多使用的inplace处理——即bottom和top是同一个Blob。
inplace使用新的输出y立即覆盖的输入x，需要以下两个条件：
1、bottom和top数量都为1，即：计算图中构成一条直线路径，
2、d(y)/d(x)与x是无关的，所以x被y覆盖不影响求导结果。
常见的激活函数都符号以上两个条件，因而可以减少内存的开销。
但是Caffe1在多网络内存共享优化上极其糟糕的，以至于Caffe1并不适合用来跑GAN，以及更复杂的网络。
一个简单例子是交叉验证上的优化：训练网络和验证网络的大部分Layer都是可以共享的，但是由于Caffe1错误地将Blob独立的放在每个Net里，使得跨Net间很难共享数据。
除此之外，Caffe1还错误地将临时变量Blob独立放在每个Layer里，导致列卷积重复占用几个G内存。
让Net和Layer都能共享内存，只需要将Tensor/Blob置于最顶层，采用MVC来写框架即可。
Caffe2引入了Workspace来管理Tensor，并将工作空间的指针传给每一个Op、每一个Graph的构造函数。
| 新的风暴已经出现
1、VM的侧重点
CGVM和NNVM的侧重点是不太一样的，CGVM更强调前端上的扩展化，后端上的唯一化。所以CGVM不会去支持Torch编译后端，也不会去支持Caffe编译后端。
在NNVM的知乎讨论帖中，有一种观点认为VM是轻视Operator的实现。但实际上，我们手里的一堆框架，在Operator、Kernel、Math级别的不少实现是没有多少区别的。
但恰恰折磨用户的正是这些没有多少区别的编译后端：各种依赖库、装Linux、编译各种错。
所以我个人更倾向整个DL社区能够提供一份完善的跨平台、跨设备解决方案，而不是多而杂的备选方案。
从这点来看，CGVM似乎是一个更彻底的框架杀手，但在ICML'15上， Jürgen Schmidhuber指出：
真正运行AI 的代码是非常简短的，甚至高中生都能玩转它。不用有任何担心会有行业垄断AI及其研究。
简短的AI代码，未必就是简单的框架提供的，有可能是自己熟悉的框架，这种需求体现在前端而不是后端。
VM指出了一条多框架混合思路：功能A，框架X写简单。功能B，框架Y写简单。
功能A和功能B又要end-to-end，那么显然混起来用不就行了。只有使用频率不高的框架才会消亡，VM将框架混合使用后，熟悉的味道更浓了，那么便构不成”框架屠杀者“。
强大的AI代码，未必就是VM提供的，有可能是庞大的后端提供的。随着paper的快速迭代，后端的扩展仍然是最繁重的编程任务。
VM和后端侧重点各有不同，难分好坏。但分离两者的做法确实是成功的一步。
2、VM的形式
VM及计算图描述方式是连接前后端的桥梁。
即便后端是唯一的，根据支持前端的不同，各家写的VM也很难统一。实际上这就把框架之间的斗争引向了VM之间的斗争。两人见面谈笑风生，与其问对方用什么框架，不如问对方用什么VM。
3、VM的主要工作
合成计算图描述的过程是乏味的，在Caffe1中，我们恐怕已经受够了人工编辑prototxt。
API交互方面，即便是MXNet提供给用户的API也是复杂臃肿的，或许仍然需要一个handbook。
TensorFlow中的TensorBoard借鉴了WebOS，VM上搞一个交互性更强的操作系统也是可行的。
除此之外，我可能比较熟悉一些经典框架，那么不妨让VM去实现那些耳熟能详的函数吧！
1）模拟Theano.function
Theano的function是一个非常贴近数学表达计算图掩饰工具。function内部转化表达式为计算图定义，同时返回一个lambda函数引向计算图的执行。总之这是一个百看不腻的API。
2）模拟Theano.grad
结合计算图优化，我们现在可以指定任意一对求导二元组(cost, wrt)。因而，放开手，让自动求导在你的模型中飞舞吧。
3）模拟Theano.scan
Theano.scan是一个用来搭建RNN的神器。尽管最近Caffe1更新了RNN，但是只支持固定循环步数的RNN。而Theano.scan则可以根据Tensor的shape，为RNN建动态的计算图，这适合在NLP任务中处理不定长句子。
4）模拟PyCaffe
PyCaffe近来在RCNN、FCN、DeepDream中得到广泛应用，成为搞CV小伙伴们的最爱。PyCaffe大部分是由C++数据结构通过Boost.Python导出的，不幸的是，Boost.Thread导出之后与Python的GIL冲突，导致PyCaffe里无法执行C++线程。尝试模拟移除Boost.Python后的PyCaffe，在Python里把Solver、Net、Layer給写出来吧。
5）模拟你熟悉的任意框架
.......等等，怎么感觉在写模拟器.....当然写模拟器基本就是在重复造轮子，这个在NNVM的知乎讨论帖中已经指明了。
4、VM的重要性
VM是深度学习框架去中心化、解耦化发展迈出的重要一步。同时暴露了目前框架圈混乱的本质：计算图之下，众生平等。计算图之上，群魔乱舞。
在今年我们可以看多许多框架PK对比的文章，然而大多只是从用户观点出发的简单评测。对比之下，NNVM关注度不高、反对者还不少这种情况，确实让人感到意外。
| 回顾与展望
1、回顾2016：框架圈减肥大作战的开始
高调宣布开源XXX框架，再封装一些API，实际上已经多余了。
VM的出现，将上层接口的编写引向模拟经典的框架，从而达到减肥的目的。
框架维护者应当将大部分精力主要放在Kernel的编写上，而不是考虑搞一些大新闻。
2、展望2017：DL社区能否联合开源出跨平台、跨设备的后端解决方案
后端上，随着ARM、神经芯片的引入，我们迫切需要紧跟着硬件来完成繁重的编程。
后端是一个敏感词，因为硬件可以拿来卖钱，所以更倾向于闭源。
除此之外，即便出现了开源的后端，在山寨和混战之前是否能普及也是一个问题。
3、展望2017：来写框架吧
VM的出现，带来另一个值得思考的问题：现在是不是人人应该学写框架了？
传统框架编写的困难在代码耦合度高，学习成本昂贵。VM流框架分离了前后端之后，前端编写难度很低，后端的则相对固定。
这样一来，框架的编程层次更加分明，Keras地位似乎要危险了。
4、展望2017：更快迭代的框架，更多变的风格，更难的垄断地位
相比于paper的迭代，框架的迭代似乎更快了一点。
余凯老师前段时间发出了TensorFlow垄断的担忧，但我们可以很乐观地看到：越来越多的用户，在深入框架的底层。
TensorFlow并不是最好的框架，MXNet也不是，最好的框架是自己用的舒服的框架，最好是一行行自己敲出来的。如果你已经积累的数个框架的使用经验，是时候把它们无缝衔接在一起了。
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本文作者：深度学习大讲堂
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