介紹

RAPIDS森林推理庫，親切地稱為 FIL ，極大地加速了基于樹的模型的推理（預(yù)測），包括梯度增強(qiáng)的決策樹模型（如 XGBoost 和 LightGBM 的模型）和隨機(jī)森林 （ 要深入了解整個(gè)庫，請(qǐng)查看 最初的 FIL 博客 。原始 FIL 中的模型存儲(chǔ)為密集的二叉樹。也就是說，樹的存儲(chǔ)假定所有葉節(jié)點(diǎn)都出現(xiàn)在同一深度。這就為淺樹提供了一個(gè)簡單、運(yùn)行時(shí)高效的布局。但對(duì)于深樹，它也需要 lot 的 GPU 內(nèi)存2d+1-1深度樹的節(jié)點(diǎn) d 。為了支持最深的森林， FIL 支持

稀疏樹存儲(chǔ)。如果稀疏樹的分支早于最大深度 d 結(jié)束，則不會(huì)為該分支的潛在子級(jí)分配存儲(chǔ)。這可以節(jié)省大量內(nèi)存。雖然深度為 30 的 稠密的 樹總是需要超過 20 億個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是深度為 30 的最瘦的 稀疏 樹只需要 61 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在 FIL中使用稀疏森林

在 FIL 使用稀疏森林并不比使用茂密森林困難。創(chuàng)建的林的類型由新的 storage_type 參數(shù)控制到 ForestInference.load（） 。其可能值為：

DENSE 為了營造一片茂密的森林，

SPARSE 要?jiǎng)?chuàng)建稀疏的森林，

AUTO （默認(rèn)）讓 FIL 決定，當(dāng)前總是創(chuàng)建一個(gè)密林。

無需更改輸入文件、輸入數(shù)據(jù)或預(yù)測輸出的格式。初始模型可以由 scikit learn 、 cuML 、 XGBoost 或 LightGBM 進(jìn)行訓(xùn)練。下面是一個(gè)將 FIL 用于稀疏森林的示例。

from cuml import ForestInference
import sklearn.datasets
# Load the classifier previously saved with xgboost model_save()
model_path = 'xgb.model'
fm = ForestInference.load(model_path, output_class=True,
storage_type='SPARSE')
# Generate random sample data
X_test, y_test = sklearn.datasets.make_classification()
# Generate predictions (as a gpu array)
fil_preds_gpu = fm.predict(X_test.astype('float32'))

實(shí)施

圖 1 ：在 FIL 中存儲(chǔ)稀疏森林。

圖 1 描述了稀疏森林是如何存儲(chǔ)在 FIL 中的。所有節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)在單個(gè)大型 nodes 陣列中。對(duì)于每個(gè)樹，其根在節(jié)點(diǎn)數(shù)組中的索引存儲(chǔ)在 trees 數(shù)組中。每個(gè)稀疏節(jié)點(diǎn)除了存儲(chǔ)在密集節(jié)點(diǎn)中的信息外，還存儲(chǔ)其左子節(jié)點(diǎn)的索引。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)總是有兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，所以左右節(jié)點(diǎn)相鄰存儲(chǔ)。因此，右子級(jí)的索引總是可以通過將左子級(jí)的索引加 1 來獲得。在內(nèi)部， FIL 繼續(xù)支持密集節(jié)點(diǎn)和稀疏節(jié)點(diǎn)，這兩種方法都來自一個(gè)基林類。

與內(nèi)部更改相比，對(duì) pythonapi 的更改保持在最低限度。新的 storage_type 參數(shù)指定是創(chuàng)建密集林還是稀疏林。此外，一個(gè)新的值 ‘AUTO’ 已經(jīng)成為推斷算法參數(shù)的新默認(rèn)值；它允許 FIL 自己選擇推理算法。對(duì)于稀疏林，它當(dāng)前使用的是 ‘NAIVE’ 算法，這是唯一受支持的算法。對(duì)于密林，它使用 ‘BATCH_TREE_REORG’ 算法。

基準(zhǔn)

為了對(duì)稀疏樹進(jìn)行基準(zhǔn)測試，我們使用 sciket learn 訓(xùn)練了一個(gè)隨機(jī)林，具體來說就是 sklearn.ensemble.RandomForestClassifier 。然后，我們將得到的模型轉(zhuǎn)化為一個(gè) FIL 林，并對(duì)推理的性能進(jìn)行了測試。數(shù)據(jù)是使用 sklearn.datasets.make_classification（） 生成的，包含 200 萬行，在訓(xùn)練和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集之間平分， 32 列。對(duì)于基準(zhǔn)測試，在一百萬行上執(zhí)行推斷。

我們使用兩組參數(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)測試。

深度限制設(shè)置為 10 或 20 ；在這種情況下，密集或稀疏的 FIL 林都可以放入 GPU 內(nèi)存中。

無深度限制；在這種情況下， SKLearn 訓(xùn)練的模型包含非常深的樹。在我們的基準(zhǔn)測試運(yùn)行中，樹的深度通常在 30 到 50 之間。試圖創(chuàng)建一個(gè)稠密的 FIL-forest 會(huì)耗盡內(nèi)存，但是可以順利創(chuàng)建一個(gè)稀疏的 forest 。

在這兩種情況下，林本身的大小仍然相對(duì)較小，因?yàn)闃渲械娜~節(jié)點(diǎn)數(shù)限制為 2048 個(gè)，并且林由 100 棵樹組成。我們測量了 CPU 推理和 GPU 推理的時(shí)間。 GPU 推理是在 V100 上進(jìn)行的， CPU 推理是在一個(gè)有兩個(gè)插槽的系統(tǒng)上進(jìn)行的，每個(gè)插槽有 16 個(gè)內(nèi)核，帶有雙向超線程?；鶞?zhǔn)測試結(jié)果如圖 2 所示。

圖 2 ： FIL （密集稀疏樹）和 SKLearn 的基準(zhǔn)測試結(jié)果 。

稀疏和密集 FIL 預(yù)測器（如果后者可用）都比 SKLearn CPU 預(yù)測器快 34-60 倍。對(duì)于淺層森林，稀疏 FIL 預(yù)報(bào)器比稠密 FIL 預(yù)報(bào)器慢，但是對(duì)于較深的森林，稀疏 FIL 預(yù)報(bào)器可以更快；具體的性能差異各不相同。例如，在圖 2 中， max \ u depth = 10 時(shí)，密集預(yù)測器比稀疏預(yù)測器快 1 。 14 倍，但 max \ u depth = 20 時(shí)，速度較慢，僅達(dá)到稀疏預(yù)測器的 0 。 75 倍。因此，對(duì)于淺層森林應(yīng)采用稠密 FIL 預(yù)報(bào)。

然而，對(duì)于深林，稠密預(yù)測器的內(nèi)存不足，因?yàn)樗目臻g需求隨著森林深度呈指數(shù)增長。稀疏預(yù)測器沒有這個(gè)問題，即使對(duì)于非常深的樹，它也能在 GPU 上提供快速的推斷。

結(jié)論

在稀疏森林的支持下， FIL 適用于更廣泛的問題。無論您是使用 XGBoost 構(gòu)建梯度增強(qiáng)的決策樹，還是使用 cuML 或 sciket learn 構(gòu)建隨機(jī)林， FIL 都應(yīng)該是一個(gè)方便的選擇，可以加速您的推理。

關(guān)于作者

Andy Adinets 自2005年以來一直從事GPU編程工作，自2017年7月底以來一直在Nvidia擔(dān)任AI開發(fā)人員技術(shù)工程師近4年。他目前正在從事多個(gè)項(xiàng)目，包括Forest Inference Library（FIL） ）和GPU排序。 當(dāng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)時(shí)，他還喜歡優(yōu)化各種GPU算法。

審核編輯：郭婷