Batch大小不一定是2的n次冪？

是否選擇2的n次冪在運行速度上竟然也相差無幾？

有沒有感覺常識被顛覆？

這是威斯康星大學麥迪遜分校助理教授Sebastian Raschka（以下簡稱R教授）的最新結論。

在神經網絡訓練中，2的n次冪作為Batch大小已經成為一個標準慣例，即64、128、256、512、1024等。

一直有種說法，是這樣有助于提高訓練效率。

但R教授做了一番研究之后，發現并非如此。

在介紹他的試驗方法之前，首先來回顧一下這個慣例究竟是怎么來的？

2的n次冪從何而來？

一個可能的答案是：因為CPU和GPU的內存架構都是由2的n次冪構成的。

或者更準確地說，根據內存對齊規則，cpu在讀取內存時是一塊一塊進行讀取的，塊的大小可以是2，4，8，16（總之是2的倍數）。

因此，選取2的n次冪作為batch大小，主要是為了將一個或多個批次整齊地安裝在一個頁面上，以幫助GPU并行處理。

其次，矩陣乘法和GPU計算效率之間也存在一定的聯系。

假設我們在矩陣之間有以下矩陣乘法A和B：

當A的行數等于B的列數的時候，兩個矩陣才能相乘。

其實就是矩陣A的第一行每個元素分別與B的第一列相乘再求和，得到C矩陣的第一個數，然后A矩陣的第一行再與B矩陣的第二列相乘，得到第二個數，然后是A矩陣的第二行與B矩陣的第一列……

因此，如上圖所示，我們擁有2×M×N×K個每秒浮點運算次數（FLOPS）。

現在，如果我們使用帶有Tensor Cores的GPU，例如V100時，當矩陣尺寸（M，N以及K）與16字節的倍數對齊，在FP16混合精度訓練中，8的倍數的運算效率最為理想。

因此，假設在理論上，batch大小為8倍數時，對于具有Tensor Cores和FP16混合精度訓練的GPU最有效，那么讓我們調查一下這一說法在實踐中是否也成立。

不用2的n次冪也不影響速度

為了了解不同的batch數值對訓練速度的影響，R教授在CIFAR-10上運行了一個簡單的基準測試訓練——MobileNetV3（大）——圖像的大小為224×224，以便達到適當的GPU利用率。

R教授用16位自動混合精度訓練在V100卡上運行訓練，該訓練能更高效地使用GPU的Tensor Cores。

如果你想自己運行，該代碼可在此GitHub存儲庫中找到（鏈接附在文末）。

該測試共分為以下三部分：

小批量訓練

從上圖可以看出，以樣本數量128為參考點，將樣本數量減少1（127）或增加1（129），的確會導致訓練速度略慢，但這種差異幾乎可以忽略不計。

而將樣本數量減少28（100）會導致訓練速度明顯放緩，這可能是因為模型現在需要處理的批次比以前更多（50,000/100=500與50,000/128= 390）。

同樣的原理，當我們將樣本數量增加28（156）時，運行速度明顯變快了。

最大批量訓練

鑒于MobileNetV3架構和輸入映像大小，上一輪中樣本數量相對較小，因此GPU利用率約為70%。

為了調查GPU滿載時的訓練速度，本輪把樣本數量增加到512，使GPU的計算利用率接近100%。

△由于GPU內存限制，無法使用大于515的樣本數量

可以看出，跟上一輪結果一樣，不管樣本數量是否是2的n次冪，訓練速度的差異幾乎可以忽略不計。

多GPU訓練

基于前兩輪測試評估的都是單個GPU的訓練性能，而如今多個GPU上的深度神經網絡訓練更常見。為此，這輪進行的是多GPU培訓。

正如我們看到的，2的n次冪（256）的運行速度并不比255差太多。

測試注意事項

在上述3個基準測試中，需要特別聲明的是：

所有基準測試的每個設置都只運行過一次，理想情況下當然是重復運行次數越多越好，最好還能生成平均和標準偏差，但這并不會影響到上述結論。

此外，雖然R教授是在同一臺機器上運行的所有基準測試，但兩次運營之間沒有特意相隔很長時間，因此，這可能意味著前后兩次運行之間的GPU基本溫度可能不同，并可能稍微影響到運算時間。

結論

可以看出，選擇2的n次冪或8的倍數作為batch大小在實踐中不會產生明顯差異。

然而，由于在實際使用中已成為約定俗成，選擇2的n次冪作為batch大小，的確可以幫助運算更簡單并且易于管理。

此外，如果你有興趣發表學術研究論文，選擇2的n次冪將使你的論文看上去不那么主觀。

盡管如此，R教授仍然認為，batch的最佳大小在很大程度上取決于神經網絡架構和損失函數。

例如，在最近使用相同ResNet架構的研究項目中，他發現batch的最佳大小可以在16到256之間，具體取決于損失函數。

因此，R教授建議始終把調整batch大小，作為超參數優化的一部分。

但是，如果你由于內存限制而無法使用512作為batch大小，那么則不必降到256，首先考慮500即可。

作者Sebastian Raschka

Sebastian Raschka，是一名機器學習和 AI 研究員。

他在UW-Madison（威斯康星大學麥迪遜分校）擔任統計學助理教授，專注于深度學習和機器學習研究，同時也是Lightning AI的首席 AI 教育家。

另外他還寫過一系列用Python和Scikit-learn做機器學習的教材。

基準測試代碼鏈接：
https://github.com/rasbt/b3-basic-batchsize-benchmark
參考鏈接：
https://sebastianraschka.com/blog/2022/batch-size-2.html

審核編輯 ：李倩