AI & GPU
كيفية اختيار بطاقة GPU للتعلم العميق بسرعة

كيفية اختيار بسرعة بطاقة GPU للتعلم العميق

المقدمة في GPUS للتعلم العميق

تعريف البطاقات الرسومية

تعتبر وحدات معالجة الرسوميات ، أو GPUs ، بأجهزة مختصة مصممة لمعالجة الرسومات وبيانات الوسائط بفعالية وتوازن. ومن المعروف أساسًا بقدرتها على تسريع عملية عرض الرسومات ، ولكن الهندسة المعمارية المتوازية عالية الأداء فيها أيضًا جعلتها عنصرًا حاسمًا في مجال التعلم العميق.

أهمية البطاقات الرسومية في التعلم العميق

شهد التعلم العميق ، وهو فرع من فروع التعلم الآلي ، ارتفاعًا كبيرًا في الشعبية والاعتماد في السنوات الأخيرة. ينطوي على استخدام الشبكات العصبية الاصطناعية لتعلم واستخراج الميزات من مجموعات البيانات الكبيرة ، مما يمكن من مهام مثل التعرف على الصور ومعالجة اللغة الطبيعية والتعرف على الكلام. تتطلب الطلبات الحسابية لخوارزميات التعلم العميق الكبيرة معالجة كبيرة لكميات ضخمة من البيانات وتدريب النماذج المعقدة.

تعجز وحدات المعالجة المركزية (CPUs) التقليدية عن مواكبة المتطلبات الحسابية للتعلم العميق ، حيث يتم تصميمها أساسًا للمعالجة التسلسلية. وعلى النقيض من ذلك ، تتفوق GPUs في المعالجة المتوازية ، مما يجعلها خيارًا مثاليًا لتسريع أعباء العمل التعلم العميق. الهندسة المعمارية المتوازية الضخمة للبطاقات الرسومية تتيح لها أداء عدة حسابات في وقت واحد ، مما يسرع بشكل كبير التدريب والمستنتج للنماذج التعلم العميق.

كان اعتماد البطاقات الرسومية في التعلم العميق لعبة مغيرة للعبة ، حيث يمكن للباحثين والممارسين تدريب نماذج معقدة بشكل متزايد ، ومعالجة مجموعات بيانات أكبر ، وتحقيق مستويات غير مسبوقة من الدقة والأداء. توفر توافر أجهزة GPU قوية ومكلفة بتطوير إطارات ومكتبات تعلم عميق فعالة ، قوة دافعة وراء التقدم السريع في مجال التعلم العميق.

تفهم هندسة البطاقات الرسومية

مقارنة بين وحدات المعالجة المركزية والبطاقات الرسومية

1. بنية ووظيفة وحدات المعالجة المركزية

تعتبر وحدات المعالجة المركزية (CPUs) هي المعالجات الرئيسية في معظم أنظمة الحسابات. تم تصميمها للاستخدام في الحوسبة العامة ، وتتميز بالتفوق في المهام التسلسلية للمعالجة. عادةً ما تحتوي وحدات المعالجة المركزية على عدد قليل من النوى عالية الأداء ، حيث يمكن لكل نواة تنفيذ تعليمة واحدة في وقت واحد.

2. بنية ووظيفة البطاقات الرسومية

من ناحية أخرى ، تم تصميم وحدات معالجة الرسومات لمهام المعالجة المتوازية عالية الأداء ، مثل عرض الرسومات والتعلم العميق. تحتوي على عدد كبير من النوى الأصغر وأقل قوة ، تعرف باسم نوى CUDA أو معالجات البث ، التي يمكن تنفيذ تعليمات متعددة في وقت واحد. هذه الهندسة المتوازية الكبيرة تتيح للبطاقات الرسومية أن تؤدي العديد من الحسابات البسيطة بشكل متواز ، مما يجعلها مناسبة تمامًا لمتطلبات الحساب في التعلم العميق.

التوازي في البطاقات الرسومية

1. معمارية SIMD (تعليمة واحدة ، بيانات متعددة)

تستخدم البطاقات الرسومية معمارية SIMD (تعليمة واحدة ، بيانات متعددة) ، حيث يتم تنفيذ تعليمة واحدة عبر عناصر البيانات المتعددة في وقت واحد. هذا النهج كفء للغاية لمهام التعلم العميق ، حيث غالبًا ما يشمل القيام بنفس العمليات على دفعات كبيرة من البيانات.

2. قدرات المعالجة الباراليلية الضخمة

تعد القدرات المتوازية للبطاقات الرسومية عاملاً رئيسيًا في نجاحها في التعلم العميق. من خلال وجود عدد كبير من النوى التي يمكن أن تعمل بالتزامن ، يمكن للبطاقات الرسومية أن تؤدي حسابات متعددة بشكل متزامن ، مما يسرع بشكل كبير عملية التدريب والمستنتج للنماذج التعلم العميق.

معدات البطاقة الرسومية للتعلم العميق

مصنعي رقائق البطاقة الرسومية

1. NIVIDIA

شركة NIVIDIA هي إحدى الشركات الرائدة في مجال تصنيع وحدات معالجة الرسوميات ، وكانت في طليعة ثورة التعلم العميق. تستخدم رقائق GPU الخاصة بها ، مثل GeForce و Quadro و Tesla ، على نطاق واسع في تطبيقات التعلم العميق.

2. AMD

أيضًا AMD (Advanced Micro Devices) هي لاعب رئيسي آخر في سوق البطاقات الرسومية ، حيث تقدم رقائق GPU من سلسلة Radeon و Instinct التي تناسب أيضًا مهام التعلم العميق.

نماذج البطاقات الرسومية ومواصفاتها

1. بطاقات NVIDIA

a. سلسلة GeForce

تعتبر سلسلة GeForce من NVIDIA مجموعة البطاقات الرسومية الموجهة للمستهلك ، والتي تم تصميمها لألعاب الفيديو والحوسبة العامة. وبينما ليست مستهدفة أساسا للتعلم العميق ، إلا أن بعض نماذج GeForce يمكن استخدامها لمهام التعلم العميق ، خاصةً على الميزانية.

b. سلسلة Quadro

تعد سلسلة Quadro من NVIDIA مجموعة البطاقات الرسومية عالية الجودة والمتخصصة ، المهيأة لتطبيقات محطة العمل ، بما في ذلك التعلم العميق. توفر بطاقات Quadro ميزات مثل الذاكرة المصححة للأخطاء ودعم عمليات العشرية العالية الدقة ، مما يجعلها مناسبة لتنفيذات التعلم العميق الحرجة.

c. سلسلة Tesla

تعتبر سلسلة Tesla من NVIDIA مخصصة للتعلم العميق والتحسين العالي في الأداء اف التحسين العلمي والحوسبة المتفوقة (HPC). تم تصميم هذه البطاقات بشكل خاص لتسريع التعلم العميق وأعباء العمل الحوسبة العلمية الأخرى ، وتتميز بميزات مثل نوى التوتر ، وتوصيل NVLink ، ودعم نموذج برمجة CUDA الخاص بشركة NVIDIA.

2. بطاقات AMD

a. سلسلة Radeon

تستهدف بطاقات Radeon من AMD بشكل أساسي سوق المستهلكين والألعاب ، ولكن يمكن استخدام بعض النماذج أيضًا لمهام التعلم العميق ، خاصةً لتطبيقات صغيرة الحجم أو غير المكلفة حسابيًا.

b. سلسلة Instinct

تعد سلسلة Instinct من AMD مخصصة للتعلم العميق والحوسبة المتفوقة (HPC) ، مصممة للتنافس مع سلسلة Tesla من NVIDIA. توفر بطاقات Instinct ميزات مثل الذاكرة عالية النطاق الترددي (HBM) ، ومدعم لنموذج البرمجة OpenCL ، وتحسينات لأعباء العمل التعلم العميق.

بنية ذاكرة البطاقة الرسومية

1. أنواع ذاكرة البطاقة الرسومية

أ. GDDR (مضاعفة معدل البيانات الرسومية)

GDDR هو نوع من ذاكرة ذات سرعة عالية تستخدم عادة في نماذج البطاقات الرسومية للمستهلكين والمهنيين. يوفر عرض نطاق ترددي عالٍ وتأخير منخفض ، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات الرسومات والتعلم العميق.

ب. HBM (ذاكرة ذات عرض نطاق ترددي عالي)

HBM هي تكنولوجيا ذاكرة أكثر تقدمًا توفر عرض نطاق ترددي أعلى بكثير واستهلاك طاقة أقل مقارنة بـ GDDR. تستخدم HBM غالبًا في نماذج البطاقات الرسومية المتقدمة للتعلم العميق ولأغراض الحوسبة المتفوقة مثل سلسلة Tesla الخاصة بشركة NVIDIA وسلسلة Instinct الخاصة بشركة AMD.

2. عرض النطاق الترددي للذاكرة وتأثيره على الأداء

عرض نطاق ترددي الذاكرة للبطاقة الرسومية هو عامل حاسم في أدائها في مهام التعلم العميق. يتيح لنطاق تردد ذاكرة عالي نقل البيانات بين وحدة المعالجة الرسومية وذاكرتها بشكل أسرع ، مما يقلل من الوقت المستغرق في نقل البيانات ويتيح استخدامًا أكثر كفاءة لموارد المعالجة الرسومية.

تسريع البطاقة الرسومية للتعلم العميق

CUDA (معمارية الجهاز الموحدة المعالجة)

1. تواجه CUDA ودورها في المعالجة المتوازية

CUDA هو نموذج البرمجة ومنصة البرمجيات لشركة NIVIDIA الملكية الفكرية لمعالجة العامة لوحدات معالجة الرسومات (GPU). أن نوى CUDA هي وحدات المعالجة الأساسية ضمن بطاقة GPU NIVIDIA ، المسؤولة عن تنفيذ الحوسبة المتوازية المطلوبة بواسطة خوارزميات التعلم العميق.

2. نموذج برمجة CUDA

يوفر نموذج برمجة CUDA مجموعة من واجهات البرمجة والأدوات التي تتيح للمطورين استغلال قدرات المعالجة المتوازية لوحدة معالجة الرسومات NIVIDIA لمجموعة واسعة من التطبيقات ، بما في ذلك التعلم العميق. يتيح CUDA للمطورين كتابة رمز محسن للغاية يمكنه استخدام موارد وحدة معالجة الرسومات بشكل فعال.

OpenCL (لغة الحوسبة المفتوحة)

1. المزايا والقيود مقارنة بـ CUDA

OpenCL هي معيار مفتوح للبرمجة المتوازية على منصات الحوسبة غير المتجانسة ، بما في ذلك وحدات معالجة الرسومات. على الرغم من أن OpenCL يوفر التوافق متعدد الأنظمة ، إلا أنه يمكن أن يكون أكثر تعقيدًا في الاستخدام وقد لا يوفر نفس مستوى البصيرة في تحسين وأداء CUDA لبطاقات NIVIDIA.

إطارات التعلم العميق ودعم البطاقة الرسومية

1. TensorFlow

تعد TensorFlow إطار تعلم عميق مفتوح المصدر شائعًا تم تطويره بواسطة Google. يوفر تكاملًا سلسًا مع بطاقة NIVIDIA عن طريق CUDA ، مما يسمح بتسريع فعال لأعباء العمل في التعلم العميق.

2. PyTorch

PyTorch هو إطار تعلم عميق مفتوح المصدر آخر يستخدم على نطاق واسع ، تم تطويره بواسطة معمل فيسبوك للذكاء الاصطناعي. يوفر PyTorch تسريعًا باستخدام بطاقة NIVIDIA باستخدام CUDA ، مما يجعلها اختيارًا قويًا للتعلم العميق على بطاقات NIVIDIA.

3. Keras

Keras هي واجهة برمجة التطبيقات عالية المستوى للشبكات العصبية تعمل فوق إطارات التعلم العميق مثل TensorFlow و Theano. يدعم تسريع البطاقة الرسومية لبطاقة NIVIDIA من خلال تكامله مع إطارات يدعم»وضع CUDA-enabled .

4. Caffe

Caffe هو إطار عميق للتعلم تم تطويره في مركز رؤية بيركلي ومركز التعلم. يوفر تسريع GPU فعالًا من خلال تكامله مع CUDA ، مما يجعله خيارًا شائعًا لمهام التعلم العميق المعتمدة على الصور.

5. آخرون

هناك العديد من إطارات التعلم العميق الأخرى ، مثل MXNet و CNTK و Theano ، التي توفر أيضًا تسريعًا للبطاقة الرسومية من خلال تكاملها مع CUDA أو OpenCL.

الشبكات العصبية المتقطعة CNNs

الشبكات العصبية المتقطعة CNNs هي نوع من نماذج التعلم العميق التي تناسب بشكل خاص لمعالجة وتحليل بيانات الصور. مستوحاة من بنية قشرة الدماغ البصرية في الإنسان ومصممة لتعلم القيمة الزمنية والمكانية في البيانات بشكل تلقائي ، مما يجعلها فعالة للغاية في مهام مثل تصنيف الصور وكشف الكائنات وتحليل الصور.

طبقات التدري convolutions

البنية الأساسية لـ CNN هي طبقة الـ Convolutional. تُطبق هذه الطبقة مجموعة من المرشحات التي يمكن التعلم منها (المعروفة أيضًا باسم الأنوية) على صورة الإدخال ، حيث يكون لكل مرشح مسؤولية كشف ميزة أو نمط محدد في الصورة. يكون مخرج طبقة التعاقب هو خريطة الميزات ، التي تعكس التوزيع المكاني للميزات المكتشفة.

فيما يلي مثال لطبقة الـ التدري convolutions باستخدام PyTorch:

import torch.nn as nn
 
# قم بتعريف طبقة التدري(convolution layer)#####
```conv_layer = nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=32, kernel_size=3, stride=1, padding=1)

في هذا المثال، تأخذ طبقة التباين تصويرة مدخل بتناظر 3 (على سبيل المثال، RGB) وتُطبق 32 فلترًا قابلًا للتعلم، وكل فلتر له حجم 3 × 3 بيكسل. المعلمة "stride" تحكم في حجم النطاق الزمني للمتزلج، والمعلمة "padding" تضيف بكسلات إضافية حول الصورة للحفاظ على الأبعاد المكانية.

طبقات الأخذ للتهيئة

بعد طبقات التباين، من المشترك استخدام طبقات الأخذ للتهيئة لتقليل الأبعاد المكانية لخرائط المعالم ولتقديم بعض درجة من الاستقلالية عن الترجمة. عملية الأخذ الأكثر شيوعًا عادة هي أخذ الحد الأقصى، حيث يتم اختيار القيمة الأعلى ضمن نافذة محددة.

إليك مثال لطبقة أخذ الحد الأقصى في PyTorch:

import torch.nn as nn
 
# قم بتعريف طبقة أخذ الحد الأقصى
pool_layer = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)

في هذا المثال، تأخذ طبقة أخذ الحد الأقصى نافذة 2 × 2 وتختار القيمة الأعلى ضمن تلك النافذة، مما يقلل من الأبعاد المكانية لخرائط المعالم بمقدار ضعف.

طبقات متصلة بالكامل

بعد طبقات التباين والأخذ للتهيئة، يتم عادة تفريغ خرائط المعالم الإخراجية وتمريرها من خلال طبقة واحدة أو أكثر متصلة بالكامل، تعمل كشبكة عصبية تقليدية لأداء المهمة النهائية للتصنيف أو التوقع.

إليك مثال لطبقة متصلة بالكامل في PyTorch:

import torch.nn as nn
 
# قم بتعريف طبقة متصلة بالكامل
fc_layer = nn.Linear(in_features=1024, out_features=10)

في هذا المثال، تأخذ طبقة متصلة بالكامل مدخلاً بتناظر 1024 وتنتج إخراجًا يتألف من 10 فئات (أو أي عدد آخر من الفئات، اعتمادًا على المهمة).

دمج كل شيء معًا: تصميم CNN مُعماري بسيط

فيما يلي مثال لمُعمارية CNN بسيطة لتصنيف الصور، مُنفذة في PyTorch:

import torch.nn as nn
 
class SimpleCNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleCNN, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=32, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
        self.pool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        self.conv2 = nn.Conv2d(in_channels=32, out_channels=64, kernel_size=3, stride=1, padding=1)
        self.pool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        self.fc1 = nn.Linear(in_features=64 * 7 * 7, out_features=128)
        self.fc2 = nn.Linear(in_features=128, out_features=10)
 
    def forward(self, x):
        x = self.pool1(nn.functional.relu(self.conv1(x)))
        x = self.pool2(nn.functional.relu(self.conv2(x)))
        x = x.view(-1, 64 * 7 * 7)
        x = nn.functional.relu(self.fc1(x))
        x = self.fc2(x)
        return x

في هذا المثال، تعرّف فئة "SimpleCNN" مُعمارًا لـ CNN بالـطبقات التالية:

  1. طبقتي تزايد مُرتبطة بذاتهما بـ 32 و64 فلترًا على التوالي، وتستخدم أحجام نواة 3 × 3.
  2. طبقتي أخذ للتهيئة الحد الأقصى بأحجام نواة 2 × 2 ونطاق زمني.
  3. طبقتين متصلتين بالكامل بإخراج خصائص 128 و 10 (عدد الفئات) على التوالي.

يعرّف الطريقة "forward" تمرير البيان بالأمام في الشبكة، حيث يتم تمرير الصورة المدخلة من خلال الطبقات التباينية وطبقات الأخذ للتهيئة والطبقات المتصلة بالكامل لإنتاج الناتج الأخير لوغاريتمات التصنيف.

شبكات العصب الحالفة (RNNs)

شبكات العصب الحالفة (RNNs) هي فئة من النماذج العميقة التعلم التلقائي التي تعمل بشكل جيد بشكل خاص في معالجة البيانات التتابعية وإنتاجها، مثل النص والكلام وسلاسل الزمن. على عكس الشبكات العصبية الراوجة، تحتوي شبكات العصب الحالفة على "ذاكرة" تسمح لها بالتقاط التبعيات بين العناصر في تتابع، مما يجعلها فعالة للغاية في المهام مثل نمذجة اللغة والترجمة الآلية والتعرف على الكلام.

تصميم أساسي لشبكة العصب الحالفة

التصميم الأساسي لشبكة العصب الحالفة يتألف من حالة مخفية، تُحدث في كل خطوة زمنية بناءً على الإدخال الحالي والحالة المخفية السابقة. الناتج في كل خطوة زمنية يتم إنتاجه بناءً على الحالة المخفية الحالية.

إليك مثال بسيط لخلية RNN في PyTorch:

import torch.nn as nn
 
class RNNCell(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size):
        super(RNNCell, self).__init__()
        self.input_size = input_size
        self.hidden_size = hidden_size
        self.i2h = nn.Linear(input_size, hidden_size)
        self.h2h = nn.Linear(hidden_size, hidden_size)
 
    def forward(self, input, hidden):
        hidden = torch.tanh(self.i2h(input) + self.h2h(hidden))
        return hidden

في هذا المثال، تعرف الفئة "RNNCell" خلية RNN بحجم إدخال "input_size" وحجم مخفي "hidden_size". تأخذ الطريقة "forward" إدخال "input" والحالة المخفية السابقة "hidden" ، وتُرجع الحالة المخفية المحدثة.

ذاكرة قصيرة - طويلة الأجل (LSTM)

أحد القيود الرئيسية لشبكات العصب الحالفة الأساسية هو عدم قدرتها على التقاط التبعيات طويلة الأمد بشكل فعال في تتابع الإدخال. لمعالجة هذه المسألة، تم تقديم تصميم شبكة عصبية حالفة متقدمة أكثر يُسمى ذاكرة قصيرة - طويلة الأجل (LSTM).

تستخدم LSTMs هيكل خلية أكثر تعقيدًا يتضمن بوابات للتحكم في تدفق المعلومات، مما يسمح لها باستبقاء ونسيان المعلومات المتعلقة من الأمثلة المدخلة بشكل أفضل.

فيما يلي مثال لخلية LSTM في PyTorch:

import torch.nn as nn
 
class LSTMCell(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size):
        super(LSTMCell, self).__init__()
        self.input_size = input_size
        self.hidden_size = hidden_size
        self.i2h = nn.Linear(input_size, 4 * hidden_size)
        self.h2h = nn.Linear(hidden_size, 4 * hidden_size)
 
    def forward(self, input, states):
        hx, cx = states
        gates = self.i2h(input) + self.h2h(hx)
        ingate, forgetgate, cellgate, outgate = gates.chunk(4, 1)
 
        ingate = torch.sigmoid(ingate)
        forgetgate = torch.sigmoid(forgetgate)
        cellgate = torch.tanh(cellgate)
        outgate = torch.sigmoid(outgate)
 
        cx = (forgetgate * cx) + (ingate * cellgate)
        hx = outgate * torch.tanh(cx)
 
        return hx, cx

في هذا المثال، تعرّف فئة "LSTMCell" خلية LSTM مع حجم إدخال "input_size" وحجم مخفي "hidden_size". تأخذ الطريقة "forward" إدخال "input" والحالة المخفية والخلية السابقة "(hx، cx)" ، وتُرجع الحالة المخفية المحدثة والخلية.

تكديس طبقات RNN / LSTM

لإنشاء نموذج RNN أو LSTM أكثر قوة، من المشترك تكديس عدة طبقات من خلايا RNN / LSTM. هذا يتيح للنموذج التعلم تمثيلات أكثر تعقيدًا لتتابع الإدخال.

فيما يلي مثال لنموذج LSTM مكدس في PyTorch:

import torch.nn as nn
 
class StackedLSTM(nn.Module):
    def __init__(self, num_layers, input_size, hidden_size, dropout=0.5):
        super(StackedLSTM, self).__init__()
        self.num_layers = num_layers
        self.hidden_size = hidden_size
        self.lstm_layers = nn.ModuleList([LSTMCell(input_size if i == 0 else hidden_size, hidden_size) for i in range(num_layers)])
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)
 
    def forward(self, input, initial_states=None):
        if initial_states is None:
            hx = [torch.zeros(input.size(0), self.hidden_size) for _ in range(self.num_layers)]
            cx = [torch.zeros(input.size(0), self.hidden_size) for _ in range(self.num_layers)]
        else:
            hx, cx = initial_states
 
        outputs = []
        for i, lstm_layer in enumerate(self.lstm_layers):
            hx[i], cx[i] = lstm_layer(input, (hx[i], cx[i]))
            input = self.dropout(hx[i])
            outputs.append(hx[i])
 
        return outputs, (hx, cx)

في هذا المثال، تعرّف الفئة "StackedLSTM" نموذج LSTM متداخل متعدد الطبقات بعدد الطبقات المحدد "num_layers"، حيث تكون لكل طبقة حجم مخفي "hidden_size". تأخذ الطريقة "forward" سلسلة الإدخال "input" وحالة البداية الأولية اختياريةً، وتُرجع الحالات المخفية النهائية لكل طبقة وكذلك الحالة المخفية والخلية النهائية.

استنتاج

في هذا البرنامج التعليمي، قمنا بشرح المفاهيم الأساسية والمعماريات لنماذج التعلم العميق الشائعة اثنين: شبكات العصب التكرارية (CNNs) وشبكات العصب الحالفة (RNNs). قد قمنا بمناقشة المكونات الرئيسية لهذه النماذج، مثل طبقات التباين، وطبقات الأخذ للتهيئة، وطبقات الاتصال الكامل، وخلايا RNN / LSTM، وقدمنا أمثلة عن كيفية تنفيذها في PyTorch.

قد غيّرت هذه النماذج التعلم العميق العديد من المجالات، بدءًا من رؤية الكمبيوتر إلى معالجة اللغة الطبيعية، وأصبحت أدوات ضرورية للعديد من التطبيقات العملية. بواسطة فهم مبادئ وتفاصيل التنفيذ لـ CNNs و RNNs، يمكنك الآن بناء نماذج تعلم عميق خاصة بك وتجربتها للتعامل مع مجموعة واسعة من المشكلات.

تذكر أن تنمية العمق هو مجال متطور بسرعة، ودائمًا ما يتم تطوير أنماط وتقنيات جديدة. من الأهمية بمكان البقاء محدثًا بأحدث الأبحاث وتوسيع معرفتك ومهاراتك في هذا المجال المثير.