Keras 和 PyTorch 都是对初学者非常友好的深度学习框架，两者各有优势，很多研究者和开发者在选择框架时可能会举棋不定。基于这种情况，grid.ai CEO、纽约大学博士 William Falcon 创建了 PyTorch Lightning，为 PyTorch 披上了一件 Keras 的外衣。
Lightning 是 PyTorch 非常轻量级的包装，研究者只需要编写最核心的训练和验证逻辑，其它过程都会自动完成。因此这就有点类似 Keras 那种高级包装，它隐藏了绝大多数细节，只保留了最通俗易懂的接口。Lightning 能确保自动完成部分的正确性，对于核心训练逻辑的提炼非常有优势。
今日，PyTorch Lightning 在推特宣布，1.0.0 版本现在可用了，并发布新的博客文章详细描述了 PyTorch Lightning 的运行原理和新的 API。William Falcon 表示自己非常期待有一天，当用户查看 GitHub 上的复杂项目时，深度学习代码不再那么令人望而生畏。
特斯拉 AI 负责人 Andrej Karpathy 也评论称：「这看起来很棒，也很有前途。PyTorch Lightning 倡导对深度学习代码进行重构，将『工程(硬件)』与『科学(代码)』分割开，然后将前者委托给框架。」
过去几个月里，PyTorch Lightning 团队一直在微调 API、完善文档和记录教程，最终使得 V1.0.0 顺利面世。在接下来的博客文章中，该团队对 PyTorch Lightning 进行了详尽的解读。
- 博客地址：https://medium.com/pytorch/pytorch-lightning-1-0-from-0-600k-80fc65e2fab0
- GitHub 地址：https://github.com/PyTorchLightning/pytorch-lightning
PyTorch Lightning 的运行原理和目标
人工智能的发展速度比单一框架发展要快得多。深度学习领域在不断发展，主要体现在复杂度与规模性两方面。Lightning 提供了一种为复杂模型交互设计的用户体验，同时抽象化了工程中许多零散的细节，如多 GPU 和多 TPU 训练、提前停止、日志记录等…
像 PyTorch 这样的框架出现的时间，正是人工智能主要关注网络架构的阶段。
这些框架提供所有的部件来组合极其复杂的模型，在研究和生产方面做得非常出色。但是，一旦模型开始交互，像 GAN， BERT 或者是自动编码器，范式就被打破，很快就失去了极好的灵活性，很难按照项目规模进行维护。
与之前的框架不同，PyTorch Lightning 用来封装一系列相互作用的模型，即深度学习系统。Lightning 是为当今世界更复杂的研究以及生产案例而建立的，在这种情况下，许多模型使用复杂的规则进行交互。
自动编码系统
PyTorch Lightning 的第二个关键原理是硬件和科学代码分开。Lightning 的发展可以大规模地利用大量计算，而不会向用户呈现任何抽象概念。通过这种分离，你可以获得以前不可能实现的新功能，比如，无需更改代码就可以在笔记本电脑上使用 CPU 调试 512 GPU。
最后，Lightning 希望成为一个社区驱动的框架。
构建良好的深度学习模型需要大量的专业知识和小技巧，才能使系统正常工作。在世界各地，数以百计的工程师和博士不断地实现同样的代码。现在，Lightning 的贡献者社区不断壮大，有超过 300 名最具天赋的深度学习人士，他们选择分配相同的能量并进行完全相同的优化，但却有成千上万的人从他们的努力中受益。
PyTorch Lightning 1.0.0 有哪些新功能
Lightning 1.0.0 标志着一个稳定的最终 API。这对使用 Lightning 的研究者来说是一件好事，因为他们的代码不会轻易被破坏或改变。
1. 研究与生产
Lightning 的核心优势是：使得最先进的人工智能研究能够大规模进行。这是一个为专业研究人员设计的框架，可以在最大的计算资源上尝试最难的想法，而不会失去任何灵活性。
Lightning 1.0.0 使大规模的部署模型变得简单。代码可以轻松导出。
这意味着数据科学家、研究人员等团队现在就可以成为生产模型的人，而不需要庞大的机器学习工程师团队。
Lightning 旨在提供一种帮助研究者大幅缩短生产时间的方法，同时又不丧失任何研究所需的灵活性
Grid AI 是用于在云上进行大规模训练模型的本机平台。该平台允许构建深度学习模型的研究者在大规模计算上进行迭代，然后将模型部署到可扩展环境中，该环境能够处理深度学习系统的最大流量。
2. 度量指标
pytorch_lightning.metrics 是一种 Metrics API，旨在在 PyTorch 和 PyTorch Lightning 中轻松地进行度量指标的开发和使用。更新后的 API 提供了一种内置方法，可针对每个步骤跨多个 GPU(进程)计算指标，同时存储统计信息。这可以让用户在一个阶段结束时计算指标，而无需担心任何与分布式后端相关的复杂度。
- class LitModel(pl.LightningModule):
- def __init__(self):
- ...
- self.train_acc = pl.metrics.Accuracy()
- self.valid_acc = pl.metrics.Accuracy()
- def training_step(self, batch, batch_idx):
- logits = self(x)
- ...
- self.train_acc(logits, y)
- # log step metric
- self.log('train_acc_step', self.train_acc)
- def validation_step(self, batch, batch_idx):
- logits = self(x)
- ...
- self.valid_acc(logits, y)
- # logs epoch metrics
- self.log('valid_acc', self.valid_acc)
要实现自定义指标，只需将 Metric 基类子类化，并实现__init__()、update() 和 compute() 方法。用户需要做的就是正确调用 add_state()，以用 DDP 实现自定义指标。对使用 add_state() 添加的度量指标状态变量要调用 reset()。
- from pytorch_lightning.metrics import Metric
- class MyAccuracy(Metric):
- def __init__(self, dist_sync_on_step=False):
- super().__init__(dist_sync_on_stepdist_sync_on_step=dist_sync_on_step)
- self.add_state("correct", default=torch.tensor(0), dist_reduce_fx="sum")
- self.add_state("total", default=torch.tensor(0), dist_reduce_fx="sum")
- def update(self, preds: torch.Tensor, target: torch.Tensor):
- preds, target = self._input_format(preds, target)
- assert preds.shape == target.shape
- self.correct += torch.sum(preds == target)
- self.total += target.numel()
- def compute(self):
- return self.correct.float() / self.total
3. 手动优化 VS 自动优化
使用 Lightning，用户不需要担心何时启用 / 停用 grad，只要从 training_step 中返回带有附加图的损失即可进行反向传播或更新优化器，Lightning 将会自动进行优化。
- def training_step(self, batch, batch_idx):
- loss = self.encoder(batch[0])
- return loss
但是，对于某些研究，如 GAN、强化学习或者是带有多个优化器或内部循环的某些研究，用户可以关闭自动优化，并完全由自己控制训练循环。
首先，关闭自动优化：
- trainer *=* Trainer(automatic_optimization*=False*)
现在训练循环已经由用户自己掌握。
- def training_step(self, batch, batch_idx, opt_idx):
- (opt_a, opt_b, opt_c) = self.optimizers()
- loss_a = self.generator(batch[0])
- # use this instead of loss.backward so we can automate half
- # precision, etc...
- self.manual_backward(loss_a, opt_a, retain_graph=True)
- self.manual_backward(loss_a, opt_a)
- opt_a.step()
- opt_a.zero_grad()
- loss_b = self.discriminator(batch[0])
- self.manual_backward(loss_b, opt_b)
- ...
4. Logging
Lightning 让带有 logger 的集成变得非常简单，只要在 LightningModule 中调用 log() 方法，系统就会将已记录的数量发送到用户选择的 logger 上。默认使用 Tensorboard，但是你也可以选择其他支持的 logger。
- def training_step(self, batch, batch_idx):
- self.log('my_metric', x)
根据调用. log() 的位置，Lightning 会自动确定何时记录(在每一步和每个阶段)，但是用户也可以通过手动使用 on_step 和 on_epoch 来重写默认行为。
但是 on_epoch=True 将会在整个训练阶段累积记录值。
- def training_step(self, batch, batch_idx):
- self.log('my_loss', loss, on_step=True, on_epoch=True, prog_bar=True, logger=True)
5. 数据流
Lightning 弃用了 EvaResult 和 TrainResult，这有利于简化数据流并将训练和验证循环(loop)中的日志记录与数据解耦。
每个循环(训练、验证和测试)具有三个可以实现的 hook，具体如下：
- x_step
- x_step_end
- x_epoch_end
为了演示数据流的运行方式，以下代码实现中使用到了训练循环(即 x=training)：
- outs *=* []
- *for* batch *in* data:
- out *=* training_step(batch)
- outs*.*append(out)training_epoch_end(outs)
在 training_step 中返回的任意内容可以作为 training_epoch_end 的输入。
- def training_step(self, batch, batch_idx):
- prediction = …
- return {'loss': loss, 'preds': prediction}
- def training_epoch_end(self, training_step_outputs):
- for out in training_step_outputs:
- prediction = out['preds']
- # do something with these
验证和测试循环的代码实现也是同样的步骤。如果想要使用 DP 或者 DDP2 分布式模式(即在 GPU 上分割 batch)，则使用 x_step_end 进行手动聚合(或者不实现，令 lightning 进行自动聚合)。
6. 检查点
现在，Lightning 可以通过用户最后训练 epoch 的状态，在当前工作目录中自动保存检查点。这保证用户可以在训练中断的情况下重新开始。
此外，用户可以自定义检查点行为，以监控任意数量的训练或验证步骤。例如，如果用户想要基于自己的验证损失来更新检查点，则可以按照以下步骤完成：
- 计算想要监控的任意度量或其他数量，如验证损失;
- 通过 log() 方法记录下数量以及 val_loss 等键(key);
- 初始化 ModelCheckpoint 回调函数，将 monitor 设置为数量的 key;
- 将回调函数 checkpoint_callback 返回训练器 flag。
具体代码过程如下：
- from pytorch_lightning.callbacks import ModelCheckpoint
- class LitAutoEncoder(pl.LightningModule):
- def validation_step(self, batch, batch_idx):
- x, y = batch
- y_hat = self.backbone(x)
- # 1. calculate loss
- loss = F.cross_entropy(y_hat, y)
- # 2. log `val_loss`
- self.log('val_loss', loss)
- # 3. Init ModelCheckpoint callback, monitoring 'val_loss'
- checkpoint_callback = ModelCheckpoint(monitor='val_loss')
- # 4. Pass your callback to checkpoint_callback trainer flag
- trainer = Trainer(checkpoint_callbackcheckpoint_callback=checkpoint_callback)
所有 API 的变化，包括 bug 修复等可以参考 GitHub 项目。
【本文是51CTO专栏机构“机器之心”的原创译文，微信公众号“机器之心( id: almosthuman2014)”】
