提升 5-7 倍速，使用 Mac M1 芯片加速 Pytorch 完全指南
2022年5月，PyTorch官方宣布已正式支持在M1芯片版本的Mac上进行模型加速。官方对比数据显示，和CPU相比，M1上炼丹速度平均可加速7倍。
哇哦，不用单独配个GPU也能加速这么多，我迫不及待地搞到一个M1芯片的MacBook后试水了一番，并把我认为相关重要的信息梳理成了本文。
一，加速原理
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Question1，Mac M1芯片 为什么可以用来加速 pytorch？
因为 Mac M1芯片不是一个单纯的一个CPU芯片，而是包括了CPU(中央处理器)，GPU(图形处理器)，NPU(神经网络引擎)，以及统一内存单元等众多组件的一块集成芯片。由于Mac M1芯片集成了GPU组件，所以可以用来加速pytorch.
-
Question2，Mac M1芯片 上GPU的的显存有多大？
Mac M1芯片的CPU和GPU使用统一的内存单元。所以Mac M1芯片的能使用的显存大小就是 Mac 电脑的内存大小。
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Question3，使用Mac M1芯片加速 pytorch 需要安装 cuda后端吗？
不需要，cuda是适配nvidia的GPU的，Mac M1芯片中的GPU适配的加速后端是mps，在Mac对应操作系统中已经具备，无需单独安装。只需要安装适配的pytorch即可。
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Question4，为什么有些可以在Mac Intel芯片电脑安装的软件不能在Mac M1芯片电脑上安装？
Mac M1芯片为了追求高性能和节能，在底层设计上使用的是一种叫做arm架构的精简指令集，不同于Intel等常用CPU芯片采用的x86架构完整指令集。所以有些基于x86指令集开发的软件不能直接在Mac M1芯片电脑上使用。
二，环境配置
0，检查mac型号
点击桌面左上角mac图标——>关于本机——>概览，确定是m1芯片，了解内存大小(最好有16G以上，8G可能不太够用)。
1，下载 miniforge3 (miniforge3可以理解成 miniconda/annoconda 的社区版，提供了更稳定的对M1芯片的支持)
https://github.com/conda-forge/miniforge/#download
备注: annoconda 在 2022年5月开始也发布了对 mac m1芯片的官方支持，但还是推荐社区发布的miniforge3，开源且更加稳定。
2，安装 miniforge3
chmod +x ~/Downloads/Miniforge3-MacOSX-arm64.sh
sh ~/Downloads/Miniforge3-MacOSX-arm64.sh
source ~/miniforge3/bin/activate
3，安装 pytorch (v1.12版本已经正式支持了用于mac m1芯片gpu加速的mps后端。)
pip install torch>=1.12 -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple
4，测试环境
import torch
print(torch.backends.mps.is_available())
print(torch.backends.mps.is_built())
如果输出都是True的话，那么恭喜你配置成功了。
三，范例代码
下面以mnist手写数字识别为例，演示使用mac M1芯片GPU的mps后端来加速pytorch的完整流程。
核心操作非常简单，和使用cuda类似，训练前把模型和数据都移动到torch.device("mps")就可以了。
import torch
from torch import nn
import torchvision
from torchvision import transforms
import torch.nn.functional as F
import os,sys,time
import numpy as np
import pandas as pd
import datetime
from tqdm import tqdm
from copy import deepcopy
from torchmetrics import Accuracy
def printlog(info):
nowtime = datetime.datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
print("\n"+"=========="*8 + "%s"%nowtime)
print(str(info)+"\n")
#================================================================================
# 一，准备数据
#================================================================================
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor()])
ds_train = torchvision.datasets.MNIST(root="mnist/",train=True,download=True,transform=transform)
ds_val = torchvision.datasets.MNIST(root="mnist/",train=False,download=True,transform=transform)
dl_train = torch.utils.data.DataLoader(ds_train, batch_size=128, shuffle=True, num_workers=2)
dl_val = torch.utils.data.DataLoader(ds_val, batch_size=128, shuffle=False, num_workers=2)
#================================================================================
# 二，定义模型
#================================================================================
def create_net():
net = nn.Sequential()
net.add_module("conv1",nn.Conv2d(in_channels=1,out_channels=64,kernel_size = 3))
net.add_module("pool1",nn.MaxPool2d(kernel_size = 2,stride = 2))
net.add_module("conv2",nn.Conv2d(in_channels=64,out_channels=512,kernel_size = 3))
net.add_module("pool2",nn.MaxPool2d(kernel_size = 2,stride = 2))
net.add_module("dropout",nn.Dropout2d(p = 0.1))
net.add_module("adaptive_pool",nn.AdaptiveMaxPool2d((1,1)))
net.add_module("flatten",nn.Flatten())
net.add_module("linear1",nn.Linear(512,1024))
net.add_module("relu",nn.ReLU())
net.add_module("linear2",nn.Linear(1024,10))
return net
net = create_net()
print(net)
# 评估指标
class Accuracy(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.correct = nn.Parameter(torch.tensor(0.0),requires_grad=False)
self.total = nn.Parameter(torch.tensor(0.0),requires_grad=False)
def forward(self, preds: torch.Tensor, targets: torch.Tensor):
preds = preds.argmax(dim=-1)
m = (preds == targets).sum()
n = targets.shape[0]
self.correct += m
self.total += n
return m/n
def compute(self):
return self.correct.float() / self.total
def reset(self):
self.correct -= self.correct
self.total -= self.total
#================================================================================
# 三，训练模型
#================================================================================
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer= torch.optim.Adam(net.parameters(),lr = 0.01)
metrics_dict = nn.ModuleDict({"acc":Accuracy()})
# =========================移动模型到mps上==============================
device = torch.device("mps" if torch.backends.mps.is_available() else "cpu")
net.to(device)
loss_fn.to(device)
metrics_dict.to(device)
# ====================================================================
epochs = 20
ckpt_path='checkpoint.pt'
#early_stopping相关设置
monitor="val_acc"
patience=5
mode="max"
history = {}
for epoch in range(1, epochs+1):
printlog("Epoch {0} / {1}".format(epoch, epochs))
# 1，train -------------------------------------------------
net.train()
total_loss,step = 0,0
loop = tqdm(enumerate(dl_train), total =len(dl_train),ncols=100)
train_metrics_dict = deepcopy(metrics_dict)
for i, batch in loop:
features,labels = batch
# =========================移动数据到mps上==============================
features = features.to(device)
labels = labels.to(device)
# ====================================================================
#forward
preds = net(features)
loss = loss_fn(preds,labels)
#backward
loss.backward()
optimizer.step()
optimizer.zero_grad()
#metrics
step_metrics = {"train_"+name:metric_fn(preds, labels).item()
for name,metric_fn in train_metrics_dict.items()}
step_log = dict({"train_loss":loss.item()},**step_metrics)
total_loss += loss.item()
step+=1
if i!=len(dl_train)-1:
loop.set_postfix(**step_log)
else:
epoch_loss = total_loss/step
epoch_metrics = {"train_"+name:metric_fn.compute().item()
for name,metric_fn in train_metrics_dict.items()}
epoch_log = dict({"train_loss":epoch_loss},**epoch_metrics)
loop.set_postfix(**epoch_log)
for name,metric_fn in train_metrics_dict.items():
metric_fn.reset()
for name, metric in epoch_log.items():
history[name] = history.get(name, []) + [metric]
# 2，validate -------------------------------------------------
net.eval()
total_loss,step = 0,0
loop = tqdm(enumerate(dl_val), total =len(dl_val),ncols=100)
val_metrics_dict = deepcopy(metrics_dict)
with torch.no_grad():
for i, batch in loop:
features,labels = batch
# =========================移动数据到mps上==============================
features = features.to(device)
labels = labels.to(device)
# ====================================================================
#forward
preds = net(features)
loss = loss_fn(preds,labels)
#metrics
step_metrics = {"val_"+name:metric_fn(preds, labels).item()
for name,metric_fn in val_metrics_dict.items()}
step_log = dict({"val_loss":loss.item()},**step_metrics)
total_loss += loss.item()
step+=1
if i!=len(dl_val)-1:
loop.set_postfix(**step_log)
else:
epoch_loss = (total_loss/step)
epoch_metrics = {"val_"+name:metric_fn.compute().item()
for name,metric_fn in val_metrics_dict.items()}
epoch_log = dict({"val_loss":epoch_loss},**epoch_metrics)
loop.set_postfix(**epoch_log)
for name,metric_fn in val_metrics_dict.items():
metric_fn.reset()
epoch_log["epoch"] = epoch
for name, metric in epoch_log.items():
history[name] = history.get(name, []) + [metric]
# 3，early-stopping -------------------------------------------------
arr_scores = history[monitor]
best_score_idx = np.argmax(arr_scores) if mode=="max" else np.argmin(arr_scores)
if best_score_idx==len(arr_scores)-1:
torch.save(net.state_dict(),ckpt_path)
print("<<<<<< reach best {0} : {1} >>>>>>".format(monitor,
arr_scores[best_score_idx]),file=sys.stderr)
if len(arr_scores)-best_score_idx>patience:
print("<<<<<< {} without improvement in {} epoch, early stopping >>>>>>".format(
monitor,patience),file=sys.stderr)
break
net.load_state_dict(torch.load(ckpt_path))
dfhistory = pd.DataFrame(history)
四，使用torchkeras支持Mac M1芯片加速
我在最新的3.3.0的torchkeras版本中引入了对 mac m1芯片的支持，当存在可用的 mac m1芯片/ GPU 时，会默认使用它们进行加速，无需做任何配置。
使用范例如下。😋😋😋
!pip install torchkeras>=3.3.0
import numpy as np
import pandas as pd
from matplotlib import pyplot as plt
import torch
from torch import nn
import torch.nn.functional as F
from torch.utils.data import Dataset,DataLoader
import torchkeras #Attention this line
#================================================================================
# 一，准备数据
#================================================================================
import torchvision
from torchvision import transforms
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor()])
ds_train = torchvision.datasets.MNIST(root="mnist/",train=True,download=True,transform=transform)
ds_val = torchvision.datasets.MNIST(root="mnist/",train=False,download=True,transform=transform)
dl_train = torch.utils.data.DataLoader(ds_train, batch_size=128, shuffle=True, num_workers=2)
dl_val = torch.utils.data.DataLoader(ds_val, batch_size=128, shuffle=False, num_workers=2)
for features,labels in dl_train:
break
#================================================================================
# 二，定义模型
#================================================================================
def create_net():
net = nn.Sequential()
net.add_module("conv1",nn.Conv2d(in_channels=1,out_channels=64,kernel_size = 3))
net.add_module("pool1",nn.MaxPool2d(kernel_size = 2,stride = 2))
net.add_module("conv2",nn.Conv2d(in_channels=64,out_channels=512,kernel_size = 3))
net.add_module("pool2",nn.MaxPool2d(kernel_size = 2,stride = 2))
net.add_module("dropout",nn.Dropout2d(p = 0.1))
net.add_module("adaptive_pool",nn.AdaptiveMaxPool2d((1,1)))
net.add_module("flatten",nn.Flatten())
net.add_module("linear1",nn.Linear(512,1024))
net.add_module("relu",nn.ReLU())
net.add_module("linear2",nn.Linear(1024,10))
return net
net = create_net()
print(net)
# 评估指标
class Accuracy(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.correct = nn.Parameter(torch.tensor(0.0),requires_grad=False)
self.total = nn.Parameter(torch.tensor(0.0),requires_grad=False)
def forward(self, preds: torch.Tensor, targets: torch.Tensor):
preds = preds.argmax(dim=-1)
m = (preds == targets).sum()
n = targets.shape[0]
self.correct += m
self.total += n
return m/n
def compute(self):
return self.correct.float() / self.total
def reset(self):
self.correct -= self.correct
self.total -= self.total
#================================================================================
# 三，训练模型
#================================================================================
model = torchkeras.KerasModel(net,
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss(),
optimizer= torch.optim.Adam(net.parameters(),lr=0.001),
metrics_dict = {"acc":Accuracy()}
)
from torchkeras import summary
summary(model,input_data=features);
# if gpu/mps is available, will auto use it, otherwise cpu will be used.
dfhistory=model.fit(train_data=dl_train,
val_data=dl_val,
epochs=15,
patience=5,
monitor="val_acc",mode="max",
ckpt_path='checkpoint.pt')
#================================================================================
# 四，评估模型
#================================================================================
model.evaluate(dl_val)
#================================================================================
# 五，使用模型
#================================================================================
model.predict(dl_val)[0:10]
#================================================================================
# 六，保存模型
#================================================================================
# The best net parameters has been saved at ckpt_path='checkpoint.pt' during training.
net_clone = create_net()
net_clone.load_state_dict(torch.load("checkpoint.pt"))
五，M1芯片与CPU和Nvidia GPU速度对比
使用以上代码作为范例，分别在CPU, mac m1芯片，以及Nvidia GPU上 运行。
得到的运行速度截图如下：
纯CPU跑效果
Mac M1 芯片加速效果
Tesla P100 GPU加速效果
纯CPU跑一个epoch大约是3min 18s。
使用mac m1芯片加速，一个epoch大约是33 s，相比CPU跑，加速约6倍。
这和pytorch官网显示的训练过程平均加速7倍相当。
使用Nvidia Tesla P100 GPU加速，一个epoch大约是 8s，相比CPU跑，加速约25倍。
整体来说Mac M1芯片对 深度学习训练过程的加速还是非常显著的，通常达到5到7倍左右。
不过目前看和企业中最常使用的高端的Tesla P100 GPU相比，还是有2到4倍的训练速度差异，可以视做一个mini版的GPU吧。
因此Mac M1芯片比较适合本地训练一些中小规模的模型，快速迭代idea，使用起来还是蛮香的。
尤其是本来就打算想换个电脑的，用mac做开发本来比windows好使多了。