深度學習的最大短板原來是它!

上文用簡單的小學數(shù)學算了一下Alexnet的參數(shù)說需要的內(nèi)存空間，但對于運行的神經(jīng)網(wǎng)絡，還有一個運行時的資源的問題。在github上的convnet-burden上有一個feature memory[1]的概念，這個和輸入的圖片的大小和運算的batch的size 都有關。

因此，Nvida的GPU上的HBM和GDDR對于大部分神經(jīng)網(wǎng)絡的煉丹師都是非常重要，能夠在一個GPU的內(nèi)存里完成模型的運算而不用考慮換進換出是大有裨益的。

總體來說，這個統(tǒng)計還是很直觀的[2]，就是網(wǎng)絡模型越復雜，參數(shù)的規(guī)模越大，資源的占用也就越多，對GPU的整體內(nèi)存占用也是越多。因此如何在有限的GPU上完成模型的訓練也成了一個非常有用的技巧。

在我們考慮計算對于內(nèi)存帶寬的需求之前，我們需要復習一下作為一個神經(jīng)網(wǎng)絡，每一層對于計算的需求，這個還是可以用小學數(shù)學搞定的東西。還是用標準的Alexnet為例。

對于計算來講，卷積層應該是主要，對于Pooling來講，應該是沒有的，對于FC來講，也是比較簡單的?；旧鲜浅朔?

Conv Layer的計算復雜度：

1. 當前的層的圖片的width

2. 當前的層的圖片的height

3.上一層的深度

4。當前層的深度

5. 當前kernel的大小

的乘積就是這一層卷積的計算復雜度。以Alexnet的conv1為例：

Conv-1:第一層的卷積有96個kernel。kernel的大小是11X11，卷積的stride是4，padding是0

當前的輸出的是55X55，上一層的input的深度是3， 當前的kernel是11X11，當前的深度是96.因此

55X55X3X11X11X96=105,415,200次MAC的計算。

對于Alexnet來講，需要注意的是conv2，4 ，5三個層的計算沒有和上一層直接跨GPU，因此需要的計算規(guī)模上/2.

對于FC來講，比較粗略的計算就是 輸入和當前層的規(guī)模的乘積。

MaxPool-3：第五層卷積的最大值，Pooling是3X3， stride是2，

FC-1：第一個全連接層，有4096個神經(jīng)元

因此FC-1 的計算就是：

6X6X256X4096=37,748,736

因此，總結一下之前的參數(shù)信息和計算量， Alexnet的圖如下：

這個通過統(tǒng)計每一層的計算的復雜度，就可以得到整個網(wǎng)絡的計算復雜度，也就是訓練一次網(wǎng)絡需要多少的MACC資源。對于alexnet 來講就是：724,406,816 次操作。

這個時候，有一個關鍵的信息就出來了。就是芯片的能力，大家都是用TFLOPs來表示芯片的浮點處理能力。對于Nvida的芯片，有了TFLOPS，有個一個網(wǎng)絡需要的計算量，我們就可以很快計算出每一層計算需要的時間了。

對于Alexnet 的conv1 來講，在Nivida 最新的V100的120TFLOPs的GPU上，進行訓練的執(zhí)行時間差不多是105,415,200X2/(120X1,000,000,000,000), 約等于1.75us (微秒）。

對于Pooling這一層來講，因為沒有MACC的計算量，但是因為要Max Pooling，也需要大小比較的計算。因此，它的計算基本就是算是數(shù)據(jù)讀取。因此它的數(shù)據(jù)讀取是 conv-1 的55X55X96=290,440. 因此在同樣的GPU下，它的執(zhí)行時間就是 2.42ns.

好了，有了計算時間，現(xiàn)在需要來計算數(shù)據(jù)量了。對于Conv1來講，它包含了對一下數(shù)據(jù)的讀寫：

對于輸入數(shù)據(jù)的讀取 227X227X3 =154,587

對于輸出數(shù)據(jù)的寫入55x55x96=290,400

對于參數(shù)的讀取34848+96=34944

因此，就可以算出對于120TFLOP的GPU的要求：因為在很多ASIC芯片中，輸入輸出可能在DDR中，但是參數(shù)可能放在SRAM中，因此我們就分開計算了。

對于輸入數(shù)據(jù)的讀取 （154,587/1.75）X1000,000X4=351.95GB/s

對于輸出數(shù)據(jù)的寫入 （290,400/1.75）X1000,000X4=661.16GB/s

對于參數(shù)的讀取 (34944 /1.75)X1,000,000X4=79.34GB/s

提個醒，我們現(xiàn)在的PC服務器上性能最高的DDR4的帶寬基本上在19GB/s左右?？吹綁毫α税伞，F(xiàn)在的memory連很慢的CPU都跟不上。更何況老黃家的核彈。