ReLU 阈值处理中 numpy.ceil 和 numpy.clip 的缓慢：瓶颈在哪里？

Question

这是一个基于（或跟进）另一个问题的问题：。

本着想出一种最快计算导数的方法的精神，我写了一些解决方案，其中一个是：

In [35]: np.random.seed(0)       
In [36]: X = np.random.randn(3072,10000) 

# computing ReLU derivative
In [42]: np.ceil(np.clip(X, 0, 1))

在将其与进行基准测试时，我发现上述方法非常慢（在 30x 以北）。以下是时间安排（从最快到最慢）

In [43]: %timeit -n100 ne.evaluate('X>=0').view('i1')  
10.6 ms ± 203 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100 loops each)

In [44]: %timeit -n100 (X>=0).view('i1')
13.6 ms ± 77.5 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100 loops each)

In [45]: %timeit -n100 ne.evaluate('(X>=0)+0') 
22.1 ms ± 16.7 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100 loops each)

# the super slowest one
In [46]: %timeit -n100 np.ceil(np.clip(X, 0, 1)) 
317 ms ± 2.14 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100 loops each)

导致这种缓慢的 is/are 因素是什么？瓶颈在哪里？

Answer 1

首先，您只是在执行一系列更复杂的操作。对于每个输入，您的 ceil/clip 执行以下操作：

输入值是否小于0？如果是，则将中间值设置为 0。
否则，是否大于1？如果是，则将中间值设置为 1。
否则，将中间值设置为输入值。
计算中间值的上限并将输出设置为该值。

（这发生在两个阶段，一个阶段完成所有剪裁，一个阶段完成所有天花板。）

您正在根据对每个输入执行以下操作的选项来计时：

在输入和 0 之间执行 >= 比较并将输出设置为该值。

>= 更快也就不足为奇了。

其次，您的 ceil/clip 写入的字节数是 >= 的 16 倍。 >= 为每个输入元素生成一个输出字节（view 是一个视图，因此那里没有数据复制），而你的 ceil/clip 生成一个中间数组和一个输出数组，两者都是 dtype float64.

第三，分支预测器在随机数组上的 clip 表现不佳。它不知道每次会选择哪个分支。一个更可预测的数组通过 clip 的速度要快得多：

In [21]: %timeit X.clip(0, 1)
1 loop, best of 5: 211 ms per loop

In [22]: A = np.full_like(X, 0.5)

In [23]: %timeit A.clip(0, 1)
10 loops, best of 5: 86.6 ms per loop

最后，至少在我测试的机器和 NumPy 构建上，numpy.ceil 出奇地慢：

In [24]: %timeit np.ceil(X)
10 loops, best of 5: 166 ms per loop

我不确定它是在攻击软件 ceil 实现还是什么。这在不同的版本上可能会有所不同。

ReLU 阈值处理中 numpy.ceil 和 numpy.clip 的缓慢：瓶颈在哪里？

Slowness of numpy.ceil and numpy.clip in ReLU thresholding: where is the bottleneck?

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