Cloud TPU에서 MnasNet 학습

이 가이드에서는 Cloud TPU 기기 또는 Cloud TPU Pod 슬라이스(여러 TPU 기기)를 사용하여 Tensorflow MnasNet 모델을 학습시키는 방법을 보여줍니다. TensorFlow 및 ImageNet 데이터 세트를 사용하는 다른 TPU 최적화 이미지 분류 모델에 같은 패턴을 적용할 수 있습니다.

모델 설명

이 가이드의 모델은 AutoML 모바일 신경망(MnasNet) 아키텍처를 최초로 소개한 MnasNet: Platform-Aware Neural Architecture Search for Mobile 문서에 기초를 둡니다. 이 가이드에서는 최신 변형판인 'mnasnet-a1'을 사용하며 TPUEstimator를 통한 모델 학습을 보여줍니다.

Pod 슬라이스로 학습시킬 때 특별히 고려해야 할 사항(v2-32/v3-32 이상)

TPU Pod 슬라이스로 학습시키려면 Pod 슬라이스 학습 시 특별히 고려해야 할 사항을 설명하는 이 문서를 읽어보세요.

목표

  • 데이터 세트와 모델 출력을 저장할 Cloud Storage 버킷 만들기
  • 학습 작업 실행
  • 출력 결과 확인

비용

이 가이드에서는 비용이 청구될 수 있는 다음과 같은 Google Cloud 구성요소를 사용합니다.

  • Compute Engine
  • Cloud TPU
  • Cloud Storage

가격 계산기를 사용하면 예상 사용량을 기준으로 예상 비용을 산출할 수 있습니다.

Google Cloud를 처음 사용하는 사용자는 무료 체험판을 사용할 수 있습니다.

시작하기 전에

이 가이드를 시작하기 전에 Google Cloud 프로젝트가 올바르게 설정되었는지 확인하세요.

  1. Google 계정으로 로그인합니다.

    아직 계정이 없으면 새 계정을 등록하세요.

  2. Cloud Console의 프로젝트 선택기 페이지에서 Cloud 프로젝트를 선택하거나 만듭니다.

    프로젝트 선택기 페이지로 이동

  3. Google Cloud 프로젝트에 결제가 사용 설정되어 있는지 확인합니다. 프로젝트에 결제가 사용 설정되어 있는지 확인하는 방법을 알아보세요.

  4. 이 둘러보기에서는 비용이 청구될 수 있는 Google Cloud 구성요소를 사용합니다. 예상 비용은 Cloud TPU 가격 책정 페이지에서 확인하세요. 리소스 사용을 마쳤으면 불필요한 비용이 청구되지 않도록 생성한 리소스를 삭제하세요.

리소스 설정

이 섹션에서는 가이드에 사용할 Cloud Storage, VM, Cloud TPU 리소스를 설정하는 방법을 설명합니다.

  1. Cloud Shell 창을 엽니다.

    Cloud Shell 열기

  2. 프로젝트 ID의 변수를 만듭니다.

    export PROJECT_ID=project-id
    
  3. Cloud TPU를 만들려는 프로젝트를 사용하도록 gcloud 명령줄 도구를 구성합니다.

    gcloud config set project ${PROJECT_ID}
    
  4. 다음 명령어를 사용하여 Cloud Storage 버킷을 만듭니다. bucket-name을 버킷의 이름으로 바꿉니다.

    gsutil mb -p ${PROJECT_ID} -c standard -l europe-west4 -b on gs://bucket-name
    

    이 Cloud Storage 버킷은 사용자가 모델 및 학습 결과를 학습시키기 위해 사용하는 데이터를 저장합니다. 이 가이드에서 사용하는 ctpu up 도구는 Cloud TPU 서비스 계정에 대한 기본 권한을 설정합니다. 권한을 더 세분화해야 하는 경우 액세스 수준 권한을 참조하세요.

    버킷 위치는 가상 머신(VM) 및 TPU 노드와 동일한 리전에 있어야 합니다. VM 및 TPU 노드는 리전 내 구획인 특정 영역에 있습니다.

  5. ctpu up 명령어를 사용하여 이 가이드에 필요한 Compute Engine 리소스를 시작합니다.

    ctpu up --zone=europe-west4-a \
    --vm-only \
    --disk-size-gb=300 \
    --machine-type=n1-standard-8 \
    --tf-version=1.15.3 \
    --name=mnasnet-tutorial
    

    CTPU 유틸리티에 대한 자세한 내용은 CTPU 참조를 확인하세요.

  6. 프롬프트가 표시되면 y를 눌러서 Cloud TPU 리소스를 만듭니다.

    ctpu up 명령어 실행이 끝나면 셸 프롬프트가 username@projectname에서 username@vm-name으로 변경되었는지 확인합니다. 변경되었다면 Compute Engine VM에 로그인되었다는 의미입니다. Compute Engine 인스턴스에 연결되어 있지 않으면 다음 명령어를 실행하여 수행할 수 있습니다.

    gcloud compute ssh mnasnet-tutorial --zone=europe-west4-a
    

    여기에서 (vm)$ 프리픽스는 Compute Engine VM 인스턴스에서 명령어를 실행해야 한다는 의미입니다.

  7. 저장소 버킷의 환경 변수를 만듭니다. bucket-name을 Cloud Storage 버킷 이름으로 바꿉니다.

    (vm)$ export STORAGE_BUCKET=gs://bucket-name
    
  8. 모델 디렉터리의 환경 변수를 만듭니다.

    (vm)$ export MODEL_DIR=${STORAGE_BUCKET}/mnasnet
    
  9. 다음 명령어로 Python 경로에 최상위 /models 폴더를 추가합니다.

    (vm)$ export PYTHONPATH=${PYTHONPATH}:/usr/share/tpu/models:/usr/share/tpu/models/official/efficientnet
    

데이터 찾기

ImageNet은 이미지 데이터베이스입니다. 데이터베이스의 이미지는 계층 구조로 구성되며 계층 구조의 각 노드에는 수백, 수천 개의 이미지가 포함됩니다.

이 가이드에서는 fake_imagenet이라는 전체 ImageNet 데이터 세트의 데모 버전을 사용합니다. 이 데모 버전을 사용하여 가이드를 테스트하면 전체 ImageNet 데이터 세트에 모델을 실행할 때 일반적으로 요구되는 스토리지 및 실행 시간을 줄일 수 있습니다.

fake_imagenet 데이터 세트는 Cloud Storage의 다음 위치에 있습니다.

gs://cloud-tpu-test-datasets/fake_imagenet

  1. 데이터 디렉터리의 환경 변수를 만듭니다.

    (vm)$ export DATA_DIR=gs://cloud-tpu-test-datasets/fake_imagenet
    

fake_imagenet 데이터 세트는 Cloud TPU 사용 방법을 이해하고 엔드 투 엔드 성능을 검증하는 용도로만 사용됩니다. 정확성 숫자와 저장된 모델은 의미가 없습니다.

전체 ImageNet 데이터 세트를 다운로드하고 처리하는 방법은 ImageNet 데이터 세트 다운로드, 사전 처리, 업로드를 참조하세요.

fake_imagenet으로 MnasNet 모델 학습

다음 디렉터리의 Compute Engine VM에 Mnasnet TPU 모델이 사전 설치되어 있습니다.

/usr/share/tpu/models/official/mnasnet/

  1. ctpu 유틸리티를 사용하여 Cloud TPU 리소스를 시작하고 나중에 사용되는 환경 변수를 설정합니다.

    (vm)$ ctpu up --tpu-only 
    --tf-version=1.15.3
    --name=mnasnet-tutorial

    (vm)$ export TPU_NAME=mnasnet-tutorial
    
  2. 모델 디렉터리로 이동합니다.

    (vm)$ cd /usr/share/tpu/models/official/mnasnet/
    

  3. 학습 스크립트를 실행합니다.

    (vm)$ python3 mnasnet_main.py \
      --tpu=${TPU_NAME} \
      --data_dir=${DATA_DIR} \
      --model_dir=${MODEL_DIR} \
      --model_name="mnasnet-a1" \
      --skip_host_call=true \
      --train_steps=109474 \
      --train_batch_size=4096
    • --tpu는 Cloud TPU의 이름을 지정합니다. ctpu는 이 이름을 Compute Engine VM에 환경 변수(TPU_NAME)로 전달합니다.
    • --data_dir은 학습 입력을 위한 Cloud Storage 경로를 지정합니다.
    • --model_dir은 모델 학습 중에 체크포인트와 요약이 저장되는 디렉터리를 지정합니다. 폴더가 없는 경우에는 프로그램에서 생성됩니다. Cloud TPU를 사용할 때 model_dir은 Cloud Storage 경로(gs://...)여야 합니다. 이전 체크포인트가 동일한 크기 및 TensorFlow 버전의 TPU를 사용하여 생성되어 있는 한 기존 폴더를 다시 사용하여 현재 체크포인트 데이터를 로드하고 추가 체크포인트를 저장할 수 있습니다.

      단일 Cloud TPU 기기의 경우 이 절차는 MnasNet 모델('mnasnet-a1' 변형)을 350세대 동안 학습시키고 고정된 단계 수마다 평가합니다. 지정된 플래그를 사용하면 모델이 약 23시간 만에 학습됩니다. 실제 imagenet 데이터를 사용할 때 이 설정은 최신 연구 결과를 재현하며, 사용자는 학습 속도를 더욱 개선할 수 있습니다.

Cloud TPU Pod로 모델 확장

Cloud TPU Pod로 모델을 확장하여 결과를 더 빠르게 얻을 수 있습니다. 완전히 지원되는 Mnasnet 모델은 다음 Pod 슬라이스에서 작동할 수 있습니다.

  • v2-32
  • v2-128
  • v2-256
  • v2-512
  • v3-32
  • v3-128
  • v3-256
  • v3-512
  • v3-1024
  • v3-2048

Cloud TPU Pod를 사용할 때는 먼저 Pod를 사용하여 모델을 학습시키고, 단일 Cloud TPU 기기를 사용하여 모델을 평가합니다.

Cloud TPU Pod로 학습

  1. 단일 기기에서 모델 학습을 위해 만든 Cloud TPU 리소스를 삭제합니다.

     (vm)$ ctpu delete --tpu-only --name=mnasnet-tutorial
    
  2. ctpu up 명령어를 실행하고 tpu-size 매개변수로 사용하려는 Pod 슬라이스를 지정합니다. 예를 들어 다음 명령어는 v2-32 Pod 슬라이스를 사용합니다.

      (vm)$ ctpu up --tpu-only --tpu-size=v2-32 --tf-version=1.15.3 --name=Cloud TPU
    
  3. TPU_NAME 환경 변수를 업데이트합니다.

    (vm)$ export TPU_NAME=Cloud TPU
    
  4. 학습 데이터를 저장하도록 MODEL_DIR 디렉터리를 업데이트합니다.

    (vm)$ export MODEL_DIR=${STORAGE_BUCKET}/Cloud TPU
    
  5. 다음 스크립트를 실행하여 모델을 학습시킵니다.

    스크립트는 fake_imagnet 데이터 세트의 모델을 35세대 동안 학습시킵니다. 이 학습은 v3-128 Cloud TPU에서 실행되는 데 약 90분 걸립니다.

    (vm)$ python3 mnasnet_main.py \
      --tpu=${TPU_NAME} \
      --data_dir=${DATA_DIR} \
      --model_dir=${MODEL_DIR} \
      --model_name="mnasnet-a1" \
      --skip_host_call=true \
      --train_steps=109474 \
      --train_batch_size=4096
    
    • --tpu는 Cloud TPU의 이름을 지정합니다. ctpu는 이 이름을 Compute Engine VM에 환경 변수(TPU_NAME)로 전달합니다.
    • --data_dir은 학습 입력을 위한 Cloud Storage 경로를 지정합니다.
    • --model_dir은 모델 학습 중에 체크포인트와 요약이 저장되는 디렉터리를 지정합니다. 폴더가 없는 경우에는 프로그램에서 생성됩니다. Cloud TPU를 사용할 때 model_dir은 Cloud Storage 경로(gs://...)여야 합니다. 이전 체크포인트가 동일한 크기 및 TensorFlow 버전의 TPU를 사용하여 생성되어 있는 한 기존 폴더를 다시 사용하여 현재 체크포인트 데이터를 로드하고 추가 체크포인트를 저장할 수 있습니다.

    이 절차는 fake_imagent 데이터 세트로 MnasNet 모델('mnasnet-a1' 변형)을 350세대 동안 학습시킵니다. 완료까지는 약 5시간이 걸립니다.

모델 평가

이 단계 집합에서는 Cloud TPU를 사용하여 fake_imagenet 검증 데이터에 위의 학습된 모델을 평가합니다.

  1. Pod에서 모델을 학습시키기 위해 만든 Cloud TPU 리소스를 삭제합니다.

    (vm)$ ctpu delete --tpu-only --name=${TPU_NAME}
  2. v2-8 Cloud TPU를 시작합니다. 여전히 실행 중인 Compute Engine VM에 사용했던 이름과 동일한 이름을 사용합니다.

    (vm)$ ctpu up --tpu-only --tf-version=1.15.3 --name=mnasnet-eval
    
  3. TPU 이름의 환경 변수를 만듭니다.

    (vm)$ export TPU_NAME=mnasnet-eval
    
  4. 가속기 유형의 환경 변수를 만듭니다.

    (vm)$ export ACCELERATOR_TYPE=v3-8
    
  5. 모델 평가를 실행합니다. 이번에는 mode 플래그를 추가하고 이를 eval로 설정합니다.

    (vm)$ python3 mnasnet_main.py \
      --tpu=${TPU_NAME} \
      --data_dir=${DATA_DIR} \
      --model_dir=${MODEL_DIR} \
      --mode=eval \
      --config_file=configs/cloud/${ACCELERATOR_TYPE}.yaml
    

    그러면 다음과 비슷한 출력이 생성됩니다.

       Eval results: {'loss': 7.532023,
       'top_1_accuracy': 0.0010172526,
       'global_step': 100,
       'top_5_accuracy': 0.005065918}.
       Elapsed seconds: 88
    

삭제

이 항목에서 사용한 리소스 비용이 GCP 계정에 청구되지 않도록 다음을 수행합니다.

  1. Compute Engine VM의 연결을 해제합니다.

    (vm)$ exit
    

    프롬프트가 user@projectname으로 바뀌면 Cloud Shell에 있는 것입니다.

  2. Cloud Shell에서 Cloud TPU를 설정할 때 사용한 --zone 플래그로 ctpu delete를 실행하여 Compute Engine VM과 Cloud TPU를 삭제합니다.

    $ ctpu delete --zone=europe-west4-a --name=mnasnet-tutorial
    
  3. TPU 사용에 대한 불필요한 요금 청구를 방지하기 위해 ctpu status를 실행하여 할당된 인스턴스가 없는지 확인합니다. 삭제하는 데 몇 분 정도 걸릴 수 있습니다. 다음과 같은 응답이 나타나면 더 이상 할당된 인스턴스가 없다는 의미입니다.

    $ ctpu status --zone=europe-west4-a
    
    2018/04/28 16:16:23 WARNING: Setting zone to "europe-west4-a"
    No instances currently exist.
    Compute Engine VM:     --
    Cloud TPU:             --
  4. 아래와 같이 gsutil을 실행하여 bucket-name을 이 가이드에서 만든 Cloud Storage 버킷 이름으로 바꿉니다.

    $ gsutil rm -r gs://bucket-name
    

다음 단계

이 가이드에서는 샘플 데이터 세트를 사용하여 MNASNET 모델을 학습시켰습니다. 이 학습 결과는 (대부분의 경우) 추론에 사용할 수 없습니다. 추론에 모델을 사용하려면 일반에 공개된 데이터 세트 또는 자체 데이터 세트에서 데이터를 학습시킵니다. Cloud TPU에서 학습된 모델은 데이터 세트가 TFRecord 형식이어야 합니다.

데이터 세트 변환 도구 샘플을 사용하여 이미지 분류 데이터 세트를 TFRecord 형식으로 변환할 수 있습니다. 이미지 분류 모델을 사용하지 않는 경우 데이터 세트를 직접 TFRecord 형식으로 변환해야 합니다. 자세한 내용은 TFRecord 및 tf.Example을 참조하세요.

초매개변수 조정

데이터 세트로 모델의 성능을 개선하려면 모델의 초매개변수를 조정하면 됩니다. GitHub에서 모든 TPU 지원 모델에 공통된 초매개변수에 대한 정보를 확인할 수 있습니다. 모델별 초매개변수에 대한 정보는 각 모델의 소스 코드에서 확인할 수 있습니다. 초매개변수 조정에 대한 자세한 내용은 초매개변수 조정 개요, 초매개변수 조정 서비스 사용, 초매개변수 조정을 참조하세요.

추론

일단 모델을 학습시키면 추론(예측이라고도 함)에 사용할 수 있습니다. AI Platform은 머신러닝 모델을 개발, 학습, 배포하기 위한 클라우드 기반 솔루션입니다. 모델이 배포되면 AI Platform Prediction 서비스를 사용할 수 있습니다.