1.3 万 Star！迅猛发展的 JAX 对比 TensorFlow、PyTorch

JAX 是机器学习 (ML) 领域的新生力量，它有望使 ML 编程更加直观、结构化和简洁。

在机器学习领域，大家可能对 TensorFlow 和 PyTorch 已经耳熟能详，但除了这两个框架，一些新生力量也不容小觑，它就是谷歌推出的 JAX。很对研究者对其寄予厚望，希望它可以取代 TensorFlow 等众多机器学习框架。

JAX 最初由谷歌大脑团队的 Matt Johnson、Roy Frostig、Dougal Maclaurin 和 Chris Leary 等人发起。

目前，JAX 在 GitHub 上已累积 13.7K 星。

项目地址：https://github.com/google/jax

迅速发展的 JAX

JAX 的前身是 Autograd，其借助 Autograd 的更新版本，并且结合了 XLA，可对 Python 程序与 NumPy 运算执行自动微分，支持循环、分支、递归、闭包函数求导，也可以求三阶导数；依赖于 XLA，JAX 可以在 GPU 和 TPU 上编译和运行 NumPy 程序；通过 grad，可以支持自动模式反向传播和正向传播，且二者可以任意组合成任何顺序。

开发 JAX 的出发点是什么？说到这，就不得不提 NumPy。NumPy 是 Python 中的一个基础数值运算库，被广泛使用。但是 numpy 不支持 GPU 或其他硬件加速器，也没有对反向传播的内置支持，此外，Python 本身的速度限制阻碍了 NumPy 使用，所以少有研究者在生产环境下直接用 numpy 训练或部署深度学习模型。

在此情况下，出现了众多的深度学习框架，如 PyTorch、TensorFlow 等。但是 numpy 具有灵活、调试方便、API 稳定等独特的优势。而 JAX 的主要出发点就是将 numpy 的以上优势与硬件加速结合。

目前，基于 JAX 已有很多优秀的开源项目，如谷歌的神经网络库团队开发了 Haiku，这是一个面向 Jax 的深度学习代码库，通过 Haiku，用户可以在 Jax 上进行面向对象开发；又比如 RLax，这是一个基于 Jax 的强化学习库，用户使用 RLax 就能进行 Q-learning 模型的搭建和训练；此外还包括基于 JAX 的深度学习库 JAXnet，该库一行代码就能定义计算图、可进行 GPU 加速。可以说，在过去几年中，JAX 掀起了深度学习研究的风暴，推动了科学研究迅速发展。

JAX 的安装

如何使用 JAX 呢？首先你需要在 Python 环境或 Google colab 中安装 JAX，使用 pip 进行安装：

$ pip install --upgrade jax jaxlib

注意，上述安装方式只是支持在 CPU 上运行，如果你想在 GPU 执行程序，首先你需要有 CUDA、cuDNN ，然后运行以下命令（确保将 jaxlib 版本映射到 CUDA 版本）：

$ pip install --upgrade jax jaxlib==0.1.61+cuda110 -f https://storage.googleapis.com/jax-releases/jax_releases.html

现在将 JAX 与 Numpy 一起导入：

import jax
import jax.numpy as jnp
import numpy as np

JAX 的一些特性

使用 grad() 函数自动微分：这对深度学习应用非常有用，这样就可以很容易地运行反向传播，下面为一个简单的二次函数并在点 1.0 上求导的示例：

from jax import grad
def f(x):
  return 3*x**2 + 2*x + 5
def f_prime(x):
  return 6*x +2
grad(f)(1.0)
# DeviceArray(8., dtype=float32)
f_prime(1.0)
# 8.0

jit（Just in time） ：为了利用 XLA 的强大功能，必须将代码编译到 XLA 内核中。这就是 jit 发挥作用的地方。要使用 XLA 和 jit，用户可以使用 jit() 函数或 @jit 注释。

from jax import jit
x = np.random.rand(1000,1000)
y = jnp.array(x)
def f(x):
  for _ in range(10):
      x = 0.5*x + 0.1* jnp.sin(x)
  return x
g = jit(f)
%timeit -n 5 -r 5 f(y).block_until_ready()
# 5 loops, best of 5: 10.8 ms per loop
%timeit -n 5 -r 5 g(y).block_until_ready()
# 5 loops, best of 5: 341 µs per loop

pmap：自动将计算分配到所有当前设备，并处理它们之间的所有通信。JAX 通过 pmap 转换支持大规模的数据并行，从而将单个处理器无法处理的大数据进行处理。要检查可用设备，可以运行 jax.devices（）：

from jax import pmap
def f(x):
  return jnp.sin(x) + x**2
f(np.arange(4))
#DeviceArray([0.       , 1.841471 , 4.9092975, 9.14112  ], dtype=float32)
pmap(f)(np.arange(4))
#ShardedDeviceArray([0.       , 1.841471 , 4.9092975, 9.14112  ], dtype=float32)

vmap：是一种函数转换，JAX 通过 vmap 变换提供了自动矢量化算法，大大简化了这种类型的计算，这使得研究人员在处理新算法时无需再去处理批量化的问题。示例如下：

from jax import vmap
def f(x):
  return jnp.square(x)
f(jnp.arange(10))
#DeviceArray([ 0,  1,  4,  9, 16, 25, 36, 49, 64, 81], dtype=int32)
vmap(f)(jnp.arange(10))
#DeviceArray([ 0,  1,  4,  9, 16, 25, 36, 49, 64, 81], dtype=int32)

TensorFlow vs PyTorch vs Jax

在深度学习领域有几家巨头公司，他们所提出的框架被广大研究者使用。比如谷歌的 TensorFlow、Facebook 的 PyTorch、微软的 CNTK、亚马逊 AWS 的 MXnet 等。

每种框架都有其优缺点，选择的时候需要根据自身需求进行选择。

我们以 Python 中的 3 个主要深度学习框架——TensorFlow、PyTorch 和 Jax 为例进行比较。这些框架虽然不同，但有两个共同点：

• 它们是开源的。这意味着如果库中存在错误，使用者可以在 GitHub 中发布问题（并修复），此外你也可以在库中添加自己的功能；
• 由于全局解释器锁，Python 在内部运行缓慢。所以这些框架使用 C/C++ 作为后端来处理所有的计算和并行过程。

那么它们的不同体现在哪些方面呢？如下表所示，为 TensorFlow、PyTorch、JAX 三个框架的比较。

TensorFlow

TensorFlow 由谷歌开发，最初版本可追溯到 2015 年开源的 TensorFlow0.1，之后发展稳定，拥有强大的用户群体，成为最受欢迎的深度学习框架。但是用户在使用时，也暴露了 TensorFlow 缺点，例如 API 稳定性不足、静态计算图编程复杂等缺陷。因此在 TensorFlow2.0 版本，谷歌将 Keras 纳入进来，成为 tf.keras。

目前 TensorFlow 主要特点包括以下：

• 这是一个非常友好的框架，高级 API-Keras 的可用性使得模型层定义、损失函数和模型创建变得非常容易；
• TensorFlow2.0 带有 Eager Execution（动态图机制），这使得该库更加用户友好，并且是对以前版本的重大升级；
• Keras 这种高级接口有一定的缺点，由于 TensorFlow 抽象了许多底层机制（只是为了方便最终用户），这让研究人员在处理模型方面的自由度更小；
• Tensorflow 提供了 TensorBoard，它实际上是 Tensorflow 可视化工具包。它允许研究者可视化损失函数、模型图、模型分析等。

PyTorch

PyTorch(Python-Torch) 是来自 Facebook 的机器学习库。用 TensorFlow 还是 PyTorch？在一年前，这个问题毫无争议，研究者大部分会选择 TensorFlow。但现在的情况大不一样了，使用 PyTorch 的研究者越来越多。PyTorch 的一些最重要的特性包括：

• 与 TensorFlow 不同，PyTorch 使用动态类型图，这意味着执行图是在运行中创建的。它允许我们随时修改和检查图的内部结构；
• 除了用户友好的高级 API 之外，PyTorch 还包括精心构建的低级 API，允许对机器学习模型进行越来越多的控制。我们可以在训练期间对模型的前向和后向传递进行检查和修改输出。这被证明对于梯度裁剪和神经风格迁移非常有效；
• PyTorch 允许用户扩展代码，可以轻松添加新的损失函数和用户定义的层。PyTorch 的 Autograd 模块实现了深度学习算法中的反向传播求导数，在 Tensor 类上的所有操作， Autograd 都能自动提供微分，简化了手动计算导数的复杂过程；
• PyTorch 对数据并行和 GPU 的使用具有广泛的支持；
• PyTorch 比 TensorFlow 更 Python 化。PyTorch 非常适合 Python 生态系统，它允许使用 Python 类调试器工具来调试 PyTorch 代码。

JAX 是来自 Google 的一个相对较新的机器学习库。它更像是一个 autograd 库，可以区分原生的 python 和 NumPy 代码。JAX 的一些特性主要包括：

• 正如官方网站所描述的那样，JAX 能够执行 Python+NumPy 程序的可组合转换：向量化、JIT 到 GPU/TPU 等等；
• 与 PyTorch 相比，JAX 最重要的方面是如何计算梯度。在 Torch 中，图是在前向传递期间创建的，梯度在后向传递期间计算， 另一方面，在 JAX 中，计算表示为函数。在函数上使用 grad() 返回一个梯度函数，该函数直接计算给定输入的函数梯度；
• JAX 是一个 autograd 工具，不建议单独使用。有各种基于 JAX 的机器学习库，其中值得注意的是 ObJax、Flax 和 Elegy。由于它们都使用相同的核心并且接口只是 JAX 库的 wrapper，因此可以将它们放在同一个 bracket 下；
• Flax 最初是在 PyTorch 生态系统下开发的，更注重使用的灵活性。另一方面，Elegy 受 Keras 启发。ObJAX 主要是为以研究为导向的目的而设计的，它更注重简单性和可理解性。

参考链接：