谷歌 人工智能部門 最近開源了 GPipe ，這是一個用于快速訓練大規(guī)模深度學習模型的 TensorFlow 類庫。

　　深層神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）主要用于解決自然語言處理和視覺目標識別等人工智能任務。以視覺識別為例，該領域的最新方法通常以 ImageNet 挑戰(zhàn)賽 的獲勝方案為基準。每一屆冠軍的成績都優(yōu)于前一屆；當然，模型的復雜度也會相應增加。2014 年的冠軍 GoogLeNet 通過使用 400 萬個模型參數(shù)達到了 74.8% 的 top-1 準確率，而 2017 年的冠軍 Squeeze-and-Excitation Networks 則使用了 1.458 億個參數(shù)并達到了 82.7% 的 top-1 準確率。

　　在訓練神經(jīng)網(wǎng)絡的時候，模型大小的增加通常會引起問題。為了在合理的時間內(nèi)完成訓練，我們把大部分的計算任務委托給了加速器：諸如 GPU 和 TPU 之類的專用硬件。但是這些設備的內(nèi)存有限，這也就限制了訓練模型的大小。我們可以通過一些方法來減少模型對內(nèi)存的依賴，比如將數(shù)據(jù)從加速器內(nèi)存中置換出去，但這會大大減慢訓練速度。另一種解決方案則是模型分區(qū)，這可以讓模型同時在多個加速器中并行執(zhí)行。對順序性 DNN 來說，最好的策略是按層劃分模型，然后由不同的加速器來訓練不同的層。但是由于 DNN 的順序性本質(zhì)，有些時候可能只有一個加速器在工作，別的加速器則因為需要等待其它層的訓練結(jié)果而閑置下來。

　　GPipe 通過進一步細化訓練任務解決了這個問題，它將批量任務分解為更細小的“微批量”任務，并在每一層中管道化執(zhí)行這些“微批量”任務。這樣，下一層的加速器就可以優(yōu)先處理上一層已完成的“微批量”任務結(jié)果，而不需要等待整個訓練過程的結(jié)束。

　　通過使用 GPipe 以及 8 個 TPUv2（第二代 TPU 芯片），谷歌研究人員能夠用 18 億個參數(shù)來訓練視覺目標識別模型：在使用 GPipe 的情況下，單個 TPUv2 可訓練的參數(shù)量增加了 5.6 倍。通過此次訓練的大規(guī)模模型，ImageNet 數(shù)據(jù)驗證的準確率達到了 84.7%，超過了 2017 年奪冠時的 82.7%。

　　GPipe 的模型分區(qū)除了能支持更大的模型以外，它也允許多個加速器并行訓練所指定的模型。研究報告稱，使用 4 倍以上的加速器可以達到 3.5 倍的加速效果。

　　Gpipe 目前是 Lingvo 框架 的一部分，該框架主要用來在 TensorFlow 中構(gòu)建順序神經(jīng)網(wǎng)絡模型。