模型的显存和参数量计算

写在前面:以此记录关于模型显存和参数量的一些理解和计算。

首先是“运算量”和“参数量”两个概念:
参数量:这个比较好理解,例如卷积层中的卷积核c_i*k*k*n_o,其参数量就是相乘的结果。而且,无论输入图像的尺寸怎么变(YOLO实现中的multi scale训练策略),只要模型结构确定,参数量就固定。还需要注意,参数都是FP32(4字节)存放,所以模型大小是参数量*4。
运算量:使用FLOPs衡量,代表浮点运算次数,这个可以衡量算法/模型的复杂度。

还要区分两个容易混淆的量:FLOPSFLOPs
FLOPS:Floating point Opreations Per Second,每秒浮点运算次数,理解为计算速度,是一个衡量硬件的标准。GPU算力描述的就是这个,这些数值的单位为MM=10^12次。
FLOPs:Floating point Opreations,s是复数,为浮点数操作数。理解为算法的计算量。paper中通常使用的是GFLOPs,即10亿次浮点运算。

一、显存

参数的显存占用:只有有参数的层,才会有显存占用。这部分的显存占用和输入无关,模型加载完成之后就会占用。

有参数的层主要包括:卷积、全连接、BatchNorm、Embedding等等

无参数的层主要包括:多数的激活层(Sigmoid/ReLU)、池化层、Dropout等等

具体来说,模型参数数目(不考虑偏置b):

  • Linear(M->N):M×N
  • Conv2d(Cin,Cout,K):Cin×Cout×k×k
  • BatchNorm(N):2N
  • Embedding(N,W):N×W

参数占用显存=参数数目×n

n=4:float32

n=2:float16

n=8:double64

梯度与动量的显存占用

  1. 优化器如果是SGD:

    img

    可以看出,除了保存W之外还要保存对应的梯度

    img

    因此显存占用等于参数从占用的显存×2

  2. 优化器如果是带Momentum-SGD

img

这时候还需要保存动量,因此显存×3

如果是Adam优化器,动量占用的显存更多,显存×4

故模型中与输入输出无关的显存占用包括:参数W、梯度dW(一般与参数一样)、优化器的动量

输入输出显存占用

模型的显存和参数量计算_第1张图片

主要看输出feature map的形状

模型的显存和参数量计算_第2张图片

模型的显存和参数量计算_第3张图片

输入可以看成上一层的输出

因此模型输出显存占用为:

  1. 每一层feature map的形状(多维数组的形状)
  2. 保存输出对应的梯度泳衣反向传播(链式法则)
  3. 显存占用与batch size成正比
  4. 模型输出不需要存储相应的动量信息

因此,总的显存公式为:

显存占用=模型显存(参数)+batch_size×每个样本显存(输出和梯度动量)

节省显存的方法:

  1. 降低batch_size
  2. 下采样(NCHW->(1/4)*NCHW)
  3. 减少全连接层(一般只留最后一层分类用的全连接层)

二、计算量

卷积神经网络的参数位于卷积层和全连接层。

三、举例

以VGG16为例

img

各层的具体情况如下:

网络层(操作) 输入 filter stride padding 输出 参数量计算公式 参数量 显存占用
Input 224x224x3 224x224x3 0 224x224x3
Conv3-64 224x224x3 3x3x64 1 1 224x224x64 3x3x3x64 (+ 64)(括号里面是bias项) 1728(1792) 224x224x64
Conv3-64 224x224x64 3x3x64 1 1 224x224x64 3x3x64x64 (+ 64) 36864(36928) 224x224x64
MaxPool2 224x224x64 2x2 2 0 112x112x64 0 112x112x64
Conv3-128 112x112x64 3x3x128 1 1 112x112x128 3x3x64x128 (+ 128) 73728(73856) 112x112x128
Conv3-128 112x112x128 3x3x128 1 1 112x112x128 3x3x128x128 (+ 128) 147456(147584) 112x112x128
MaxPool2 112x112x128 2x2 2 0 56x56x128 0 56x56x128
Conv3-256 56x56x128 3x3x256 1 1 56x56x256 3x3x128x256 (+ 256) 294912(295168) 56x56x256
Conv3-256 56x56x256 3x3x256 1 1 56x56x256 3x3x256x256 (+ 256) 589824(590080) 56x56x256
Conv3-256 56x56x256 3x3x256 1 1 56x56x256 3x3x256x256 (+ 256) 589824(590080) 56x56x256
MaxPool2 56x56x256 2x2 2 0 28x28x256 0 28x28x256
Conv3-512 28x28x256 3x3x512 1 1 28x28x512 3x3x256x512 (+ 512) 1179648(1180160) 28x28x512
Conv3-512 28x28x512 3x3x512 1 1 28x28x512 3x3x512x512 (+ 512) 2359296(2359808) 28x28x512
Conv3-512 28x28x512 3x3x512 1 1 28x28x512 3x3x512x512 (+ 512) 2359296(2359808) 28x28x512
MaxPool2 28x28x512 2x2 2 0 14x14x512 0 14x14x512
Conv3-512 14x14x512 3x3x512 1 1 14x14x512 3x3x512x512 (+ 512) 2359296(2359808) 14x14x512
Conv3-512 14x14x512 3x3x512 1 1 14x14x512 3x3x512x512 (+ 512) 2359296(2359808) 14x14x512
Conv3-512 14x14x512 3x3x512 1 1 14x14x512 3x3x512x512 (+ 512) 2359296(2359808) 14x14x512
MaxPool2 14x14x512 2x2 2 0 7x7x512 0 7x7x512
FC1 7x7x512 4096 7x7x512x4096 (+ 4096) 102760448(102764544) 4096
FC2 4096 4096 4096*4096 (+ 4096) 16777216(16781312) 4096
FC3 4096 1000 4096*1000 (+ 1000) 4096000(4097000) 1000

总共参数量为:138,344,128(138,375,544)

占用显存:

  1. 参数占用显存:138344128×4/1024/1024=527.74MB~528MB(共有138344128个参数,每个都是float32类型的,即一个占用32位=4bytes)
  2. 输出占用显存(和batch_size有关):15237608×4/1024/1024=58.12MB/image

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