機械学習、ディープラーニングで学習および推論を行う時、特に学習にかかる時間はとても長いです。
１週間PCを回しっぱなしなんて事も。。。。
そこで学習速度の向上のためにGPUを導入します。
GPUは、超大量のコア数（計算する人の人数とでも思ってください）があるのが特徴。
一つ一つの計算能力ではCPU（いわゆる普通のコンピュータの頭脳です）に劣るのですが、CPUではせいぜい１０〜２０コアくらいのところ数千というコア数で計算できます。
そのため同じ計算を一斉に行う機械学習の様な処理ではCPUよりもはるかに速い計算処理を行う事が可能です。
では実際にどのくらい速いのでしょうか？
今回機械学習・ディープラーニングの標準GPUと言えるNvidiaのGPUを取り上げ、Windows、Ubuntu 双方について検証します。
（ちなみにMACはNvidiaのGPUの搭載が大人の事情で現在できませんので検証できません、、、）
使用機種
WindowsとUbuntuのデュアルブート
OS：Windows10
構成
CPU：Intel Core i9-9990K
GPU：Nvidia Geforce RTX2080ti
ドライバー：430.86
CUDA：10.2
CuDNN：7.5
ちなみに上図ではGPUで学習中の使用状況を表示しています。
計算には５６％、メモリは１０GBほど使用しているのがみて取れます。
まずはKerasを使用し、バックエンドでTensorFlowを動かしています。
この手の検証で使用される代表手法と言えるmnist（画像認識の学習）ファイルを使用して検証してみましょう。
GPUとCPUの学習速度検証
Windows編 mnistをCPUで
１epoch３７秒ほどです。
12 epoch学習させていますので７分２５秒ほどです。
Windows編 mnistをGPUで
1 epoch３．５秒ほど。
12 epochでも４５．５秒です。
約１０倍という速度で学習できています。
Windows編 CPUで音楽データを５００曲学習
今度は音楽データを学習させました。
音楽データは全て８小節の単音データ。
TensorFlowを使用しています。
結果は上図の通り。
１０回の学習x１０で１００回
平均１４秒x１０で２分２０秒ほどです。
Windows編 GPUで音楽データを５００曲学習
こちらも１０回の学習x１０で１００回
平均３．４秒x１０で３４秒ほどです。
CPUに比べ約４倍の学習速度です。
先ほどのMNISTに比べ学習データが少ないので速度の向上比率も控えめですがさらに学習データが増えるとより学習速度に差が出るのでしょう。
Ubuntuでも検証
Ubuntuでも検証しましょう。
OS：Ubuntu18.04
構成
CPU：Intel Core i9-9990K
GPU：Nvidia Geforce RTX2080ti
は同様ですが、
GPUドライバー：410.56
CUDA：10.1
CuDNN：7.4
となっています。
Windowsと変更があるのはOS対応状況などの関係です。
GPU環境はドライバー、CUDA、CuDNNのバージョンを揃えないとエラーが出て動作しないので慎重に構築しないといけません。（かなり環境構築難しいです、、、汗）
ちなみにUbuntu環境では推論時に高速になるTensorRTも導入してあります。
https://developer.nvidia.com/tensorrt
が今回の検証は学習のみです。
Ubuntu編 mnistをCPUで
１epoch２５秒ほどです。
12 epoch学習させていますので５分６秒ほどです。
Ubuntu編 mnistをGPUで
１epoch５秒弱ほどです。
12 epoch学習させていますので５０秒ほどです。
CPUに比べ５倍強という速さでした。
Windowに比べ速度向上が少なかったですが、CPUがUbuntuの方がかなり速かった事、GPUはWindowsの方が速かった事が原因です。
GPUはWindowsの方がドライバとCUDAのバージョンが新しかった事が原因でしょうか？
CPUについてはそもそもUbuntuの方が負荷が少ないとかがあるのかもしれませんが、詳細な原因はなんとも断言はできません。。。。
Ubuntu編 CPUで音楽データを５００曲学習
Windowsと同じく５００曲を学習させています。
１０回の学習x１０で１００回
平均７秒x１０で７０秒ほどです。
Ubuntu編 GPUで音楽データを５００曲学習
同じく５００曲をGPUで学習。
平均２秒x１０で２０秒ほどです。
CPUに比べ約３．５倍の学習速度です。
Windowsに近い検証結果が出ていますが、こちらはどちらも学習速度が速いですね。
特にCPUで顕著ではあります。
ちなみによく質問を受けますが、
GPUは並列処理（たくさんのデータを同時に計算）によって速くなるため、少ないデータの時に導入してもあまり効果が見込めない事多々あります。
これは当然の事なので不思議がらずにご心配なく。
いかがでしたか？
GPU導入による学習速度の向上は効果絶大です。
趣味程度ならまだしもですが、業務での導入であれば必須と言えるのではないでしょうか？
弊社では機械学習。ディープラーニング用のGPU環境構築業務を行っております。
導入でお困りの方、どうぞご相談ください。
