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wzjs 2025/9/4 0:23:29

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深度学习训练优化实践：CPU vs GPU

一、实验背景

二、CPU 训练

（一）实验设置

（二）实验结果

三、GPU 训练

（一）实验设置

（二）实验结果

四、优化 GPU 训练

（一）减少打印频率

（二）记录间隔实验

五、__call__ 方法的探索

（一）__call__ 方法的作用

（二）为什么推荐使用 model(x)

六、总结

在深度学习的探索之旅中，训练模型是至关重要的环节，而选择合适的硬件设备（CPU 或 GPU）对训练效率有着显著的影响。今天，我将通过实践对比 CPU 和 GPU 在训练多层感知机（MLP）模型时的性能差异，并探索优化 GPU 训练的方法。

一、实验背景

我选择了经典的鸢尾花数据集作为实验对象。这是一个包含 4 个特征、3 个分类的小型数据集，非常适合用于初步探索和模型验证。模型架构是一个简单的多层感知机（MLP），包含一个输入层、一个隐藏层（10 个神经元）和一个输出层。训练过程中，我设置了 20000 个训练轮数（epoch），并使用随机梯度下降（SGD）优化器和交叉熵损失函数。

在实验中，我详细记录了训练时间以及每个 epoch 的损失值，以便分析 CPU 和 GPU 的性能差异。此外，我还尝试了不同的优化方法，以探索如何提高 GPU 训练的效率。

二、CPU 训练

首先，我在 CPU 上运行了训练过程。以下是详细的实验设置和结果：

（一）实验设置

数据集：鸢尾花数据集（4 个特征，3 个分类）
模型架构：MLP（输入层 -> 隐藏层 [10 个神经元] -> 输出层）
优化器：随机梯度下降（SGD），学习率 = 0.01
损失函数：交叉熵损失
训练轮数：20000 个 epoch
硬件设备：12th Gen Intel Core i9-12900KF（16 核心，24 线程）

（二）实验结果

训练时间：2.93 秒
损失值变化：随着训练的进行，损失值逐渐降低，最终趋于稳定。

通过可视化损失曲线，可以看到损失值随着训练轮数的增加而逐渐减小，这表明模型在不断学习并逐渐收敛。

从图中可以看到，损失值在初始阶段下降较快，随着训练的深入，下降速度逐渐减缓，最终趋于平稳。

三、GPU 训练

为了利用 GPU 的强大计算能力，我将模型和数据迁移到 GPU 上，并重新运行训练。然而，结果让我有些意外：

（一）实验设置

硬件设备：NVIDIA GeForce RTX 3080 Ti
CUDA 版本：11.1
cuDNN 版本：8005

（二）实验结果

训练时间：11.29 秒
损失值变化：与 CPU 训练类似，损失值逐渐降低并趋于稳定。

为什么 GPU 的训练时间比 CPU 长？经过分析，我发现这主要是由于以下几个原因：

数据传输开销：在 GPU 训练时，数据需要从 CPU 内存传输到 GPU 显存，每次获取损失值（loss.item()）时，又需要将数据从 GPU 传回 CPU，这增加了大量的数据传输时间。
核心启动开销：GPU 的每个操作都需要启动一个核心，而核心启动本身存在固定开销。对于简单的模型和小数据集，这些开销占据了相当大的比例。
性能浪费：由于数据量较小，GPU 的很多计算单元没有被充分利用，导致其并行计算能力无法发挥出来。

四、优化 GPU 训练

为了减少数据传输开销，我尝试了两种优化方法：

（一）减少打印频率

我减少了打印训练信息的频率，只在每 200 个 epoch 打印一次损失值，而不是每个 epoch 都打印。这样可以减少数据从 GPU 到 CPU 的传输次数，从而节省时间。优化后的训练时间缩短到了 10.38 秒，虽然仍有差距，但已经比之前有所改善。

（二）记录间隔实验

我进一步进行了实验，观察记录间隔（即每隔多少个 epoch 记录一次损失值）对训练时间的影响。实验结果如下：

记录间隔（轮）	记录次数（次）	剩余时长（秒）
100	200	10.43
200	100	10.02
1000	20	10.12
2000	10	9.74

从实验结果可以看出，记录次数和剩余时长之间并没有明显的线性关系。这可能是因为 loss.item() 是一个同步操作，GPU 需要等待 CPU 完成才能继续运算，但这种等待时间并不是简单的线性累加。

五、`call` 方法的探索

在 PyTorch 中，模型的前向传播可以通过调用 model.forward(x) 或 model(x) 来实现。实际上，model(x) 是通过 __call__ 方法实现的，它会调用模型的 forward 方法来完成前向计算。这种设计使得模型可以像函数一样被调用，同时保留了对象的内部状态。例如，nn.Linear 和 nn.ReLU 等组件都继承自 nn.Module，它们都定义了 __call__ 方法，从而可以像函数一样被调用。

（一）`call` 方法的作用n

__call__ 是 Python 中的一个特殊方法，它允许类的实例像函数一样被调用。这种特性使得对象可以表现得像函数，同时保留对象的内部状态。例如：

class Adder:def __call__(self, a, b):print("执行加法操作")return a + badder = Adder()
print(adder(3, 5))  # 输出: 8

在 PyTorch 中，nn.Module 类定义了 __call__ 方法，当调用 model(x) 时，实际上会调用 model.__call__(x)，而 __call__ 方法会进一步调用 model.forward(x)。这种设计不仅保持了代码的一致性，还允许在调用过程中插入额外的逻辑（如钩子函数）。

（二）为什么推荐使用 `model(x)`

PyTorch 官方强烈建议使用 model(x) 而不是直接调用 model.forward(x)，因为 model(x) 会触发完整的前向传播流程，包括钩子函数的执行。钩子函数是一种强大的工具，可以在前向传播和反向传播过程中插入自定义逻辑，用于调试、监控或修改梯度等操作。

六、总结

通过今天的实验，我深刻体会到了 CPU 和 GPU 在不同场景下的性能差异。对于小型数据集和简单模型，CPU 的单核性能和低开销使其更具优势；而对于大型数据集和复杂模型，GPU 的并行计算能力则能够显著提升训练效率。同时，我也学会了如何通过减少数据传输和优化打印频率来优化 GPU 训练过程。此外，对 __call__ 方法的理解让我对 PyTorch 的设计有了更深入的认识。在未来的学习中，我将继续探索更多优化技巧，以充分发挥 GPU 的潜力，提高深度学习模型的训练效率。同时，我也会更加关注模型架构和数据处理方法，以进一步提升模型的性能。

@浙大疏锦行

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