深度学习GPU最全对比，到底谁才是性价比之王？

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本文转自AI新媒体量子位（公众号 ID: QbitAI）

搞AI，谁又没有“GPU之惑”？

张量核心、显存带宽、16位能力……各种纷繁复杂的GPU参数让人眼花缭乱，到底怎么选？

从不到1000元1050 Ti到近30000元的Titan V，GPU价格的跨度这么大，该从何价位下手？谁才是性价比之王？

让GPU执行不同的任务，最佳选择也随之变化，用于计算机视觉和做NLP就不太一样。

而且，用云端TPU、GPU行不行？和本地GPU在处理任务时应该如何分配，才能更省钱？

最合适的AI加速装备，究竟什么样？

现在，为了帮你找到最适合的装备，华盛顿大学的博士生Tim Dettmers将对比凝练成实用攻略，最新的模型和硬件也考虑在内。

到底谁能在众多GPU中脱颖而出？测评后马上揭晓。

文末还附有一份特别精简的GPU选购建议，欢迎对号入座。

最重要的参数

针对不同深度学习架构，GPU参数的选择优先级是不一样的，总体来说分两条路线：

卷积网络和Transformer：张量核心>FLOPs（每秒浮点运算次数）>显存带宽>16位浮点计算能力

循环神经网络：显存带宽>16位浮点计算能力>张量核心>FLOPs

这个排序背后有一套逻辑，下面将详细解释一下。

在说清楚哪个GPU参数对速度尤为重要之前，先看看两个最重要的张量运算：矩阵乘法和卷积。

举个栗子🌰，以运算矩阵乘法A×B=C为例，将A、B复制到显存上比直接计算A×B更耗费资源。也就是说，如果你想用LSTM等处理大量小型矩阵乘法的循环神经网络，显存带宽是GPU最重要的属性。

矩阵乘法越小，内存带宽就越重要。

相反，卷积运算受计算速度的约束比较大。因此，要衡量GPU运行ResNets等卷积架构的性能，最佳指标就是FLOPs。张量核心可以明显增加FLOPs。

Transformer中用到的大型矩阵乘法介于卷积运算和RNN的小型矩阵乘法之间，16位存储、张量核心和TFLOPs都对大型矩阵乘法有好处，但它仍需要较大的显存带宽。

需要特别注意，如果想借助张量核心的优势，一定要用16位的数据和权重，避免使用RTX显卡进行32位运算！

下面Tim总结了一张GPU和TPU的标准性能数据，值越高代表性能越好。RTX系列假定用了16位计算，Word RNN数值是指长度<100的段序列的biLSTM性能。

这项基准测试是用PyTorch 1.0.1和CUDA 10完成的。

△ GPU和TPU的性能数据

性价比分析

性价比可能是选择一张GPU最重要的考虑指标。在攻略中，小哥进行了如下运算测试各显卡的性能：

• 用语言模型Transformer-XL和BERT进行Transformer性能的基准测试。

• 用最先进的biLSTM进行了单词和字符级RNN的基准测试。

• 上述两种测试是针对Titan Xp、Titan RTX和RTX 2080 Ti进行的，对于其他GPU则线性缩放了性能差异。

• 借用了现有的CNN基准测试。

• 用了亚马逊和eBay上显卡的平均售价作为GPU的参考成本。

最后，可以得出CNN、RNN和Transformer的归一化性能/成本比值，如下所示：

△ CNN、RNN和Transformer的每美元性能

在上面这张图中，数字越大代表每一美元能买到的性能越强。可以看出， RTX 2060比RTX 2070，RTX 2080或RTX 2080 Ti更具成本效益，甚至是Tesla V100性价比的5倍以上。

所以此轮的性价比之王已经确定，是RTX 2060无疑了。

不过，这种考量方式更偏向于小型GPU，且因为游戏玩家不喜欢RTX系列显卡，导致GTX 10xx系列的显卡售价虚高。此外，还存在一定的单GPU偏差，一台有4个RTX 2080 Ti的计算机比两台带8个RTX 2060的计算机性价比更高。

所需显存与16位训练

GPU的显存对某些应用至关重要，比如常见的计算机视觉、机器翻译和一部分NLP应用。可能你认为RTX 2070具有成本效益，但需要注意其显存很小，只有8 GB。

不过，也有一些补救办法。

通过16位训练，你可以拥有几乎16位的显存，相当于将显存翻了一倍，这个方法对RTX 2080和RTX 2080 Ti同样适用。

也就是说，16位计算可以节省50%的内存，16位 8GB显存大小与12GB 32位显存大小相当。 

云端or本地？TPU or GPU？

搞清楚了参数，还有更眼花缭乱的选项摆在面前：

谷歌云、亚马逊AWS、微软的云计算平台都能搞机器学习，是不是可以不用自己买GPU？

英伟达、AMD、英特尔、各种创业公司……AI加速芯片也有不少品牌可选。

面对整个行业的围攻，Tim分析了各家平台的优缺点。

英伟达

英伟达无疑是深度学习硬件领域的领导者，大多数深度学习库都对英伟达GPU提供最佳支持。而AMD的OpenCL没有这样强大的标准库。

软件是英伟达GPU非常强大的一部分。在过去的几个月里，NVIDIA还在为软件注入更多资源。例如，Apex库对PyTorch中的16位梯度提供支持，还包括像FusedAdam这样的融合快速优化器。

但是英伟达现在有一项非常坑爹的政策，如果在数据中心使用CUDA，那么只允许使用Tesla GPU而不能用GTX或RTX GPU。

由于担心法律问题，研究机构和大学经常被迫购买低性价比的Tesla GPU。然而，Tesla与GTX和RTX相比并没有真正的优势，价格却高出10倍。

AMD：

AMD GPU性能强大但是软件太弱。虽然有ROCm可以让CUDA转换成可移植的C++代码，但是问题在于，移植TensorFlow和PyTorch代码库很难，这大大限制了AMD GPU的应用。

TensorFlow和PyTorch对AMD GPU有一定的支持，所有主要的网络都可以在AMD GPU上运行，但如果想开发新的网络，可能有些细节会不支持。

对于那些只希望GPU能够顺利运行的普通用户，Tim并不推荐AMD。但是支持AMD GPU和ROCm开发人员，会有助于打击英伟达的垄断地位，将使每个人长期受益。

英特尔：

Tim曾经尝试过至强融核（Xeon Phi）处理器，但体验让人失望。英特尔目前还不是英伟达或AMD GPU真正的竞争对手。

至强融核对深度学习的支持比较差，不支持一些GPU的设计特性，编写优化代码困难，不完全支持C++ 11的特性，与NumPy和SciPy的兼容性差。

英特尔曾计划在今年下半年推出神经网络处理器（NNP），希望与GPU和TPU竞争，但是该项目已经跳票。

谷歌：

谷歌TPU已经发展成为一种非常成熟的云端产品。你可以这样简单理解TPU：把它看做打包在一起的多个专用GPU，它只有一个目的——进行快速矩阵乘法。

如果看一下具有张量核心的V100 GPU与TPUv2的性能指标，可以发现两个系统的性能几乎相同。

TPU本身支持TensorFlow，对PyTorch的支持也在试验中。

TPU在训练大型Transformer GPT-2上取得了巨大的成功，BERT和机器翻译模型也可以在TPU上高效地进行训练，速度相比GPU大约快56%。

但是TPU也并非没有问题，有些文献指出在TPUv2上使用LSTM没有收敛。

TPU长时间使用时还面临着累积成本的问题。TPU具有高性能，最适合在训练阶段使用。在原型设计和推理阶段，应该依靠GPU来降低成本。

总而言之，目前TPU最适合用于训练CNN或大型Transformer，并且应该补充其他计算资源而不是主要的深度学习资源。

亚马逊和微软云GPU：

亚马逊AWS和Microsoft Azure的云GPU非常有吸引力，人们可以根据需要轻松地扩大和缩小使用规模，对于论文截稿或大型项目结束前赶出结果非常有用。

然而，与TPU类似，云GPU的成本会随着时间快速增长。目前，云GPU过于昂贵，且无法单独使用，Tim建议在云GPU上进行最后的训练之前，先使用一些廉价GPU进行原型开发。

初创公司的AI硬件：

有一系列初创公司在生产下一代深度学习硬件。但问题在于，这些硬件需要开发一个完整的软件套件才能具有竞争力。英伟达和AMD的对比就是鲜明的例子。

小结：

总的来说，本地运算首选英伟达GPU，它在深度学习上的支持度比AMD好很多；云计算首选谷歌TPU，它的性价比超过亚马逊AWS和微软Azure。

训练阶段使用TPU，原型设计和推理阶段使用本地GPU，可以帮你节约成本。如果对项目deadline或者灵活性有要求，请选择成本更高的云GPU。 

最终建议

总之，在GPU的选择上有三个原则：

1、使用GTX 1070或更好的GPU；
2、购买带有张量核心的RTX GPU；
3、在GPU上进行原型设计，然后在TPU或云GPU上训练模型。

针对不同研究目的、不同预算，Tim给出了如下的建议：

最佳GPU：RTX 2070

避免的坑：所有Tesla、Quadro、创始人版（Founders Edition）的显卡，还有Titan RTX、Titan V、Titan XP

高性价比：RTX 2070（高端），RTX 2060或GTX 1060 (6GB)（中低端）

穷人之选：GTX 1060 (6GB)

破产之选：GTX 1050 Ti（4GB），或者CPU（原型）+ AWS / TPU（训练），或者Colab

Kaggle竞赛：RTX 2070

计算机视觉或机器翻译研究人员：采用鼓风设计的GTX 2080 Ti，如果训练非常大的网络，请选择RTX Titans

NLP研究人员：RTX 2080 Ti

已经开始研究深度学习：RTX 2070起步，以后按需添置更多RTX 2070

尝试入门深度学习：GTX 1050 Ti（2GB或4GB显存）

好消息！

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