深度學(xué)習(xí)框架是幫助使用者進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的工具，它的出現(xiàn)降低了深度學(xué)習(xí)入門的門檻，你不需要從復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始編代碼，就可以根據(jù)需要使用現(xiàn)有的模型。
做個(gè)比喻，一套深度學(xué)習(xí)框架就像是一套積木，各個(gè)組件就是某個(gè)模型或算法的一部分，使用者可以自己設(shè)計(jì)和組裝符合相關(guān)數(shù)據(jù)集需求的積木。
當(dāng)然也正因如此，沒(méi)有什么框架是完美的，就像一套積木里可能沒(méi)有你需要的那一種積木，所以不同的框架適用的領(lǐng)域不完全一致。
深度學(xué)習(xí)的框架有很多，不同框架之間的“好與壞”卻沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，當(dāng)大家要開(kāi)始一個(gè)深度學(xué)習(xí)項(xiàng)目時(shí)，在研究到底有哪些框架具有可用性，哪個(gè)框架更適合自己時(shí)，卻找不到一個(gè)簡(jiǎn)明扼要的“說(shuō)明書(shū)”告訴大家從何著手。
首先，我們先熟悉一下深度學(xué)習(xí)的框架。
Caffe
Caffe是最成熟的框架之一，由Berkeley Vision and Learning Center開(kāi)發(fā)。它是模塊化的，而且速度非?？?，并且只需要很少的額外工作就可以支持多個(gè)GPU。它使用類似JSON的文本文件來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及求解器方法。
此外，在一個(gè)可以下載Caffe模型以及網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的網(wǎng)站——“model zoo”中，還可以幫助你快速地準(zhǔn)備樣本。但是，需要注意的是，在Caffe框架中，要調(diào)整超參數(shù)比其他框架更為繁瑣，部分原因是需要為每組超參數(shù)單獨(dú)定義不同的求解器和模型文件。
▲ 使用Caffe編寫(xiě)的LeNet CNN實(shí)現(xiàn)代碼示例
上圖是LeNet CNN架構(gòu)的代碼片段，該模型由卷積最大池化（convolution max pooling）和激活層組成的7層卷積網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
Deeplearning4j
Deeplearning4j是由Andrej Karpathy開(kāi)發(fā)的、支持GPU的多平臺(tái)框架，它是用Java編寫(xiě)的，并擁有一個(gè)Scala API。Deeplearning4j也是一個(gè)成熟的框架（用Lua編寫(xiě)），在互聯(lián)網(wǎng)上有許多可以使用的樣本，并且支持多個(gè)GPU。
Tensorflow
Tensorflow是一個(gè)由谷歌開(kāi)發(fā)的、相對(duì)比較新的框架，但已經(jīng)被廣泛采用。它性能良好，支持多個(gè)GPU和CPU。Tensorflow提供了調(diào)整網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控性能的工具，就像Tensorboard一樣，它還有一個(gè)可用作網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的教育工具。
Theano
Theano是使用符號(hào)邏輯創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的框架，是以Python編寫(xiě)的，但利用了numpy的高效代碼庫(kù)，從而提高了性能，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的Python。Theano在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)方面有很大的優(yōu)勢(shì)，但是在創(chuàng)造完整的解決方案中則具有比較大的挑戰(zhàn)。Theano將機(jī)器學(xué)習(xí)中使用的梯度計(jì)算作為網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建的“免費(fèi)”副產(chǎn)品，對(duì)于那些希望更多地關(guān)注網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而不是梯度計(jì)算的人來(lái)說(shuō)，這可能是有用的。此外，它的文本文件質(zhì)量也相當(dāng)不錯(cuò)。
但需要提醒大家的一點(diǎn)是，Theano目前已停止更新。
Lasagne
Lasagne是用Python編寫(xiě)的，建立在Theano之上的框架。它是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，能夠使得網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建比直接使用Theano更容易。因此，其表現(xiàn)極大地反映了Theano的潛能。
Keras
Keras是用Python編寫(xiě)的框架，可以作為Theano或Tensorflow的后端（如下圖）。這使得Keras在構(gòu)建完整的解決方案中更容易，而且因?yàn)槊恳恍写a都創(chuàng)建了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層，所以它也更易于閱讀。此外，Keras還擁有最先進(jìn)算法（優(yōu)化器（optimizers）、歸一化例程（normalization routines）、激活函數(shù)（activation functions））的最佳選擇。
需要說(shuō)明的是，雖然Keras支持Theano和Tensorflow后端，但輸入數(shù)據(jù)的維度假設(shè)是不同的，因此需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)才能使代碼支持兩個(gè)后端工作。該項(xiàng)目有完備的文本文件，并提供了一系列針對(duì)各種問(wèn)題的實(shí)例以及訓(xùn)練好了的、用于傳輸學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)常用體系的結(jié)構(gòu)模型。
在編寫(xiě)的時(shí)候，有消息宣稱Tensorflow將采用Keras作為首選的高級(jí)包。其實(shí)，這并不奇怪，因?yàn)镵eras的開(kāi)發(fā)者Francois Chollet本身就是谷歌的軟件工程師。
▲ 使用Keras編寫(xiě)的LeNet CNN實(shí)現(xiàn)代碼示例
MXNet
MXNet是一個(gè)用C ＋＋編寫(xiě)的深度學(xué)習(xí)框架，具有多種語(yǔ)言綁定，并支持分布式計(jì)算，包括多GPU。它提供對(duì)低級(jí)結(jié)構(gòu)以及更高級(jí)／符號(hào)級(jí)API的訪問(wèn)。在性能上被認(rèn)為可以與Tensorflow、Caffe等在內(nèi)的其他框架匹敵。GitHub中提供了很多關(guān)于MXNet的教程和培訓(xùn)示例。
Cognitive Network Toolkit （CNTK）
CNTK是由微軟開(kāi)發(fā)的框架，并被描述為機(jī)器學(xué)習(xí)的“Visual Studio”。對(duì)于那些使用Visual Studio進(jìn)行編程的人，這可能是一種更溫和、更有效的進(jìn)入深度學(xué)習(xí)的方式。
DIGITS
DIGITS是由英偉達(dá)開(kāi)發(fā)的，一款基于網(wǎng)絡(luò)的深層開(kāi)發(fā)工具。在很多方面，它像Caffe一樣，能夠使用文本文件而不是編程語(yǔ)言來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)和參數(shù)。它具有網(wǎng)絡(luò)可視化工具，因此文本文件中的錯(cuò)誤更容易被識(shí)別出來(lái)。此外，它還具有用于可視化學(xué)習(xí)過(guò)程的工具，并支持多個(gè)GPU。
Torch
Torch是一款成熟的機(jī)器學(xué)習(xí)框架，是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的。它具有完備的文本，并且可以根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)整。由于是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，所以Torch的性能非常好。
PyTorch
PyTorch是Torch計(jì)算引擎的python前端，不僅能夠提供Torch的高性能，還能夠?qū)PU的提供更好支持。該框架的開(kāi)發(fā)者表示，PyTorch與Torch的區(qū)別在于它不僅僅是封裝，而是進(jìn)行了深度集成的框架，這使得PyTorc在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面具有更高的靈活性。（如下圖）
▲ PyTorch代碼示例和等效方框圖
Chainer
Chainer與其他框架有點(diǎn)不同，它將網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建視為其計(jì)算的一部分。它的開(kāi)發(fā)者介紹說(shuō)，在這一框架中，大多數(shù)工具都是“定義然后運(yùn)行”，這意味著你要定義架構(gòu)，然后才能運(yùn)行它。Chainer嘗試構(gòu)建并優(yōu)化其架構(gòu)，使其成為學(xué)習(xí)過(guò)程的一部分，或者稱之為“通過(guò)運(yùn)行定義”。
其他
除了上述的深度學(xué)習(xí)框架之外，還有更多的專注于具體任務(wù)的開(kāi)源解決方案。例如，Nolearn專注于深度信念網(wǎng)絡(luò)（deep belief networks）； Sklearn－theano提供了一個(gè)與scikit－learn（即Python中一個(gè)重要的機(jī)器學(xué)習(xí)的庫(kù)）匹配的編程語(yǔ)法，可以和Theano庫(kù)配合使用；Paddle則可以提供更好的自然語(yǔ)言處理能力……
面對(duì)如此之多的深度學(xué)習(xí)框架，使用者該如何做出合適的選擇？對(duì)此，LexiconAI的CEO兼創(chuàng)始人Matthew Rubashkin及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)不同的框架在計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、教程（Tutorials）和訓(xùn)練樣本、CNN建模能力、RNN建模能力、架構(gòu)的易用性、速度、多GPU支持、Keras兼容性等方面的表現(xiàn)對(duì)比，總結(jié)出了以下圖表：
｜ Matthew Rubashkin畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校，是UCSF的Insight數(shù)據(jù)工程研究員和博士生。曾在硅谷數(shù)據(jù)科學(xué)（SVDS）就職，并領(lǐng)導(dǎo)SVDS的深度學(xué)習(xí)研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行項(xiàng)目研究，包括在IoT設(shè)備上的TensorFlow圖像識(shí)別等等。
值得注意的是，這一結(jié)果結(jié)合了Matthew Rubashkin團(tuán)隊(duì)在圖像和語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用方面對(duì)這些技術(shù)的主觀經(jīng)驗(yàn)和公開(kāi)的基準(zhǔn)測(cè)試研究，并且只是階段性檢測(cè)，未囊括所有可用的深度學(xué)習(xí)框架。我們看到，包括DeepLearning4j、Paddle、Chainer等在內(nèi)的框架都還未在其列。
以下是對(duì)應(yīng)的評(píng)估依據(jù)：
計(jì)算機(jī)語(yǔ)言
編寫(xiě)框架所使用的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言會(huì)影響到它的有效性。盡管許多框架具有綁定機(jī)制，允許使用者使用與編寫(xiě)框架不同的語(yǔ)言訪問(wèn)框架，但是編寫(xiě)框架所使用的語(yǔ)言也不可避免地在某種程度上影響后期開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言的靈活性。
因此，在應(yīng)用深度學(xué)習(xí)模型時(shí)，最好能夠使用你所熟悉的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的框架。例如，Caffe（C＋＋）和Torch（Lua）為其代碼庫(kù)提供了Python綁定，但如果你想更好地使用這些技術(shù)，就必須能夠熟練使用C＋＋或者Lua。相比之下，TensorFlow和MXNet則可以支持多語(yǔ)言，即使使用者不能熟練使用C＋＋，也可以很好地利用該技術(shù)。
教程（Tutorials）和訓(xùn)練樣本
框架的文本質(zhì)量、覆蓋范圍以及示例對(duì)于有效使用框架至關(guān)重要。高質(zhì)量的文本文件以及待處理的問(wèn)題的示例將有助于有效解決開(kāi)發(fā)者的問(wèn)題。完備的文件也表明該工具已經(jīng)成熟并且在短期內(nèi)不會(huì)改變。
而不同的深度學(xué)習(xí)框架之間在教程和訓(xùn)練樣本的質(zhì)量和數(shù)量的需求方面存在很大的區(qū)別。舉例來(lái)說(shuō)，Theano、TensorFlow、Torch和MXNet由于具有很好的文本化教程（documented tutorials），所以非常易于理解和實(shí)現(xiàn)。另外，我們還發(fā)現(xiàn)，不同的框架在GitHub社區(qū)的參與度和活躍度高低不僅可以作為其未來(lái)發(fā)展的重要指標(biāo)，同時(shí)也可以用來(lái)衡量通過(guò)搜索StackOverflow或Git報(bào)告事件來(lái)檢測(cè)和修復(fù)bug的速度。值得注意的是，在教程數(shù)量、訓(xùn)練樣本以及開(kāi)發(fā)人員和用戶社區(qū)方面，TensorFlow的需求量非常非常大（像是一個(gè)800磅重的大猩猩一樣的龐然大物）。
CNN建模能力
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）是由一組不同的層組成，將初始數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換成預(yù)定義類分?jǐn)?shù)的輸出分?jǐn)?shù)。是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它的人工神經(jīng)元可以響應(yīng)一部分覆蓋范圍內(nèi)的周圍單元，對(duì)于大型圖像處理有出色表現(xiàn)，可用于圖像識(shí)別、推薦引擎和自然語(yǔ)言處理。此外，CNN還可以用于回歸分析，如自動(dòng)駕駛車輛轉(zhuǎn)向角輸出模型等等。CNN建模能力包括幾個(gè)功能：定義模型的概率空間、預(yù)構(gòu)建層的可用性以及可用于連接這些層的工具和功能。我們看到，Theano、Caffe和MXNet都具有很好的CNN建模功能，這意味著，TensorFlow能夠很容易地在其InceptionV3模型上進(jìn)行能力構(gòu)建，Torch中包括易于使用的時(shí)間卷積集在內(nèi)的優(yōu)秀的CNN資源，都使得這兩種技術(shù)在CNN建模功能上能夠很好地區(qū)分開(kāi)來(lái)。
RNN建模能力
有別于CNN，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）可以用于語(yǔ)音識(shí)別、時(shí)間序列預(yù)測(cè)、圖像字幕和其他需要處理順序信息的任務(wù)。由于預(yù)先構(gòu)建的RNN模型不像CNN那樣多，因此，如果你有一個(gè)RNN深度學(xué)習(xí)項(xiàng)目，那么就必須考慮為特定技術(shù)預(yù)先實(shí)施和開(kāi)源何種RNN模型，這是非常重要的。例如，Caffe擁有極少的RNN資源，而微軟的CNTK和Torch則擁有豐富的RNN教程和預(yù)置模型。雖然TensorFlow也具有一些RNN資源，但TFLearn和Keras中所包含的RNN示例要比使用TensorFlow多得多。
架構(gòu)
為了在特定的框架中創(chuàng)建和訓(xùn)練新的模型，至關(guān)重要的一點(diǎn)是要有一個(gè)易于使用而且是模塊化的前端架構(gòu)。檢測(cè)結(jié)果表明，TensorFlow、Torch和MXNet都具有直觀的模塊化架構(gòu)，這使得開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單并且直觀。相比之下，像Caffe這樣的框架則需要花大量的工作來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的層。另外，我們還發(fā)現(xiàn)由于TensorBoard Web GUI應(yīng)用程序已經(jīng)被包含在內(nèi)，TensorFlow在訓(xùn)練期間和訓(xùn)練之后會(huì)特別容易調(diào)試和監(jiān)控。
速度
在開(kāi)放源代碼卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）方面Torch和Nervana擁有基準(zhǔn)測(cè)試的最佳性能記錄，TensorFlow性能在大多數(shù)測(cè)試中也“有的一拼”，而Caffe和Theano在這方面則表現(xiàn)得并不突出；在遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）方面，微軟則聲稱CNTK的訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)最短，速度最快。當(dāng)然，也有另一項(xiàng)直接針對(duì)RNN建模能力速度進(jìn)行比較的研究表明，在Theano、Torch和TensorFlow中，Theano的表現(xiàn)最好。
多GPU支持
大多數(shù)深度學(xué)習(xí)應(yīng)用程序需要大量的浮點(diǎn)運(yùn)算（FLOP）。例如，百度的DeepSpeech識(shí)別模型需要10秒鐘的ExaFLOPs（百萬(wàn)兆浮點(diǎn)運(yùn)算）進(jìn)行訓(xùn)練。那可是大于10的18次方的計(jì)算量！而作為領(lǐng)先的圖形處理單元（GPU）——如英偉達(dá)的Pascal TitanX，每秒可以執(zhí)行11萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算，在一個(gè)足夠大的數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練一個(gè)新的模型需要一周的時(shí)間。為了減少構(gòu)建模型所需的時(shí)間，需要多臺(tái)機(jī)器上的多個(gè)GPU。幸運(yùn)的是，上面列出的大多數(shù)技術(shù)都提供了這種支持，比如，MXNet就具有一個(gè)高度優(yōu)化的多GPU引擎。
Keras兼容性
Keras是一個(gè)用于進(jìn)行快速深度學(xué)習(xí)原型設(shè)計(jì)的高級(jí)庫(kù)，是一個(gè)讓數(shù)據(jù)科學(xué)家能夠自如地應(yīng)用深度學(xué)習(xí)的工具。Keras目前支持兩個(gè)后端——TensorFlow和Theano，并且還將在TensorFlow中獲得正式的支持。
Matthew Rubashkin建議，當(dāng)你要開(kāi)始一個(gè)深度學(xué)習(xí)項(xiàng)目時(shí)，首先要評(píng)估好自己團(tuán)隊(duì)的技能和項(xiàng)目需求。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于以Python為中心的團(tuán)隊(duì)的圖像識(shí)別應(yīng)用程序，他建議使用TensorFlow，因?yàn)槠湮谋疚募S富、性能適宜并且還擁有優(yōu)秀的原型設(shè)計(jì)工具。而如果是為了將RNN擴(kuò)展到具有Lua能力的客戶團(tuán)隊(duì)產(chǎn)品上，他則推薦使用Torch，這是因?yàn)樗哂凶吭降乃俣群蚏NN建模能力。
總而言之，對(duì)于大多數(shù)人而言，“從零開(kāi)始”編寫(xiě)深度學(xué)習(xí)算法成本非常高，而利用深度學(xué)習(xí)框架中可用的巨大資源是更有效率的。如何選擇更合適的框架將取決于使用者的技能和背景，以及具體項(xiàng)目的需求。因此，當(dāng)你要開(kāi)始一個(gè)深度學(xué)習(xí)項(xiàng)目時(shí)，的確值得花一些時(shí)間來(lái)評(píng)估可用的框架，以確保技術(shù)價(jià)值的最大化。
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