谷歌團隊（非官方發(fā)布）打造了一個名為JAX的系統(tǒng)，今日在Reddit引發(fā)了熱議。網(wǎng)友紛紛為它叫好——“說不定能夠取代TensorFlow”。本文便帶領(lǐng)讀者一覽JAX的廬山真面目。

這個工具說不定比TensorFlow還好用！

它就是JAX，一款由谷歌團隊打造（非官方發(fā)布），用于從純Python和Numpy機器學習程序中生成高性能加速器（accelerator）代碼，且特定于域的跟蹤JIT編譯器。

那么JAX到底有哪些威力呢？

JAX使用XLA編譯器基礎結(jié)構(gòu)，來為子程序生成最有利于加速的優(yōu)化代碼，這些優(yōu)化子程序可以由任意Python調(diào)用和編排；

由于JAX與Autograd完全兼容，它允許Python函數(shù)的正、反向模式（forward- and reverse-mode）自動區(qū)分為任意順序；

由于JAX支持結(jié)構(gòu)化控制流，所以它可以在保持高性能的同時為復雜的機器學習算法生成代碼；

通過將JAX與Autograd和Numpy相結(jié)合，可得到一個易于編程且高性能的ML系統(tǒng)，該系統(tǒng)面向CPU，GPU和TPU，且能擴展到多核Cloud TPU。

此“神器”在Reddit上引發(fā)了熱烈的討論，網(wǎng)友紛紛為它叫好：

我的天，“可微分的numpy”實在是太棒了！我對pytorch有一點不是很滿意，他們基本上重新做了numpy所做的一切，但存在一些愚蠢的差異，比如“dim”，而不是“axis”，等等。

JAX系統(tǒng)設計一覽

谷歌團隊通過觀察發(fā)現(xiàn)，JAX的ML工作負載通常由PSC子程序控制。

JAX的設計便因此利用了函數(shù)通?？梢灾苯釉跈C器學習代碼中識別的特性，使機器學習研究人員可以使用JAX的jit_ps修飾符進行注釋。

雖然手工注釋對非專業(yè)用戶和“零工作量知識”優(yōu)化提出了挑戰(zhàn)，但它為專家提供了直接的好處，而且作為一個系統(tǒng)研究項目，它展示了PSC假設的威力。

JAX跟蹤緩存為跟蹤計算的參數(shù)創(chuàng)建了一個monomorphic signature，以便新遇到的數(shù)組元素類型、數(shù)組維度或元組成員觸發(fā)重新編譯。在跟蹤緩存丟失時，JAX執(zhí)行相應的Python函數(shù)，并將其執(zhí)行跟蹤到具有靜態(tài)數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的原始函數(shù)圖中。

現(xiàn)有的原語不僅包括數(shù)組級別的數(shù)字內(nèi)核，包括Numpy函數(shù)和其他函數(shù)，它們允許用戶通過保留PSC屬性將控制流分段到編譯后的計算中。最后，JAX包含一些用于功能分布式編程的原語，如iterated_map_reduce。

為了生成代碼，JAX將跟蹤轉(zhuǎn)換為XLA HLO，這是一種中間語言，可以對高度可加速的數(shù)組級數(shù)值程序進行建模。從廣義上講，JAX可以被看作是一個系統(tǒng)，它將XLA編程模型提升到Python中，并支持使用可加速的子程序，同時仍然允許動態(tài)編排。

defxla_add(xla_builder,xla_args,np_x,np_y):returnxla_builder.Add(xla_args[0],xla_args[1])defxla_sinh(xla_builder,xla_args,np_x):b,xla_x=xla_builder,xla_args[0]returnb.Div(b.Sub(b.Exp(xla_x),b.Exp(b.Neg(xla_x))),b.Const(2))defxla_while(xla_builder,xla_args,cond_fun,body_fun,init_val):xla_cond=trace_computation(cond_fun,args=(init_val,))xla_body=trace_computation(body_fun,args=(init_val,))returnxla_builder.While(xla_cond,xla_body,xla_args[-1])jax.register_translation_rule(numpy.add,xla_add)jax.register_translation_rule(numpy.sinh,xla_sinh)jax.register_translation_rule(while_loop,xla_while)

JAX從原語到XLA HLO的翻譯規(guī)則

另外，JAX和Autograd完全兼容。

importautograd.numpyasnpfromautogradimportgradfromjaximportjit_psdefpredict(params,inputs):forW,binparamsoutputs=np.dot(inputs,W)+binputs=np.tanh(outputs)returnoutputsdefloss(params,inputs,targets):preds=predict(params,inputs)returnnp.sum((preds-targets)**2)grad_fun=jit_ps(grad(loss))#Compiledgradient-of-lossfunction

一個與JAX完全連接的基本神經(jīng)網(wǎng)絡

實驗、性能結(jié)果比較

為了演示JAX和XLA提供的數(shù)組級代碼優(yōu)化和操作融合，谷歌團隊編譯了一個具有SeLU非線性的完全連接神經(jīng)網(wǎng)絡層，并在圖1中顯示JAX trace和XLA HLO圖形。

圖1：XLA HLO對具有SeLU非線性的層進行融合。灰色框表示所有的操作都融合到GEMM中。

使用一個線程和幾個小的示例優(yōu)化問題（包括凸二次型、隱馬爾科夫模型(HMM)邊緣似然性和邏輯回歸）將Python執(zhí)行時間與CPU上的JAX編譯運行時進行了比較。

對于某些CPU示例來說，XLA的編譯時間比較慢，但將來可能會有顯著的改進，對于經(jīng)過warmed-up代碼（表1），XLA的編譯速度非常快。

表1：在CPU上Truncated Newton-CG的計時（秒）

在GPU上訓練卷積網(wǎng)絡。谷歌團隊實現(xiàn)了一個all-conv CIFAR-10網(wǎng)絡，只涉及卷積和ReLU激活。谷歌編寫了一個單獨的隨機梯度下降(SGD)更新步驟，并從一個純Python循環(huán)中調(diào)用它，結(jié)果如表2所示。

作為參考，谷歌在TensorFlow中實現(xiàn)了相同的算法，并在類似的Python循環(huán)中調(diào)用它。

表2：GPU上JAX convnet步驟的計時(msec)

云TPU可擴展性。云TPU核心上的全局批處理的JAX并行化呈現(xiàn)線性加速（圖2，左）。在固定的minibatch / replica中，texec受復制計數(shù)的影響最?。ㄔ?ms內(nèi)，右邊）

圖2：為ConvNet訓練步驟在云TPU上進行擴展。