ADAM

Joseph Redmon

2016-10-26 352ae7e65b6a74bcd768aa88b866a44c713284c8

 src/convolutional_kernels.cu

@@ -1,5 +1,10 @@
#include "cuda_runtime.h"
#include "curand.h"
#include "cublas_v2.h"

extern "C" {
#include "convolutional_layer.h"
#include "batchnorm_layer.h"
#include "gemm.h"
#include "blas.h"
#include "im2col.h"
@@ -8,128 +13,251 @@
#include "cuda.h"
}

__global__ void bias_output_kernel(float *output, float *biases, int n, int size)
__global__ void binarize_kernel(float *x, int n, float *binary)
{
    int offset = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;
    int filter = blockIdx.y % n;
    int batch = blockIdx.y / n;

    if(offset < size) output[(batch*n+filter)*size + offset] = biases[filter];
    int i = (blockIdx.x + blockIdx.y*gridDim.x) * blockDim.x + threadIdx.x;
    if (i >= n) return;
    binary[i] = (x[i] >= 0) ? 1 : -1;
}

void bias_output_gpu(float *output, float *biases, int batch, int n, int size)
void binarize_gpu(float *x, int n, float *binary)
{
    dim3 dimGrid((size-1)/BLOCK + 1, n*batch, 1);
    dim3 dimBlock(BLOCK, 1, 1);

    bias_output_kernel<<<dimGrid, dimBlock>>>(output, biases, n, size);
    binarize_kernel<<<cuda_gridsize(n), BLOCK>>>(x, n, binary);
    check_error(cudaPeekAtLastError());
}

__global__ void backward_bias_kernel(float *bias_updates, float *delta, int batch, int n, int size, float scale)
__global__ void binarize_input_kernel(float *input, int n, int size, float *binary)
{
    __shared__ float part[BLOCK];
    int i,b;
    int filter = blockIdx.x;
    int p = threadIdx.x;
    float sum = 0;
    for(b = 0; b < batch; ++b){
        for(i = 0; i < size; i += BLOCK){
            int index = p + i + size*(filter + n*b);
            sum += (p+i < size) ? delta[index] : 0;
        }
    int s = (blockIdx.x + blockIdx.y*gridDim.x) * blockDim.x + threadIdx.x;
    if (s >= size) return;
    int i = 0;
    float mean = 0;
    for(i = 0; i < n; ++i){
        mean += abs(input[i*size + s]);
    }
    part[p] = sum;
    __syncthreads();
    if(p == 0){
        for(i = 0; i < BLOCK; ++i) bias_updates[filter] += scale * part[i];
    mean = mean / n;
    for(i = 0; i < n; ++i){
        binary[i*size + s] = (input[i*size + s] > 0) ? mean : -mean;
    }
}

void backward_bias_gpu(float *bias_updates, float *delta, int batch, int n, int size)
void binarize_input_gpu(float *input, int n, int size, float *binary)
{
    backward_bias_kernel<<<n, BLOCK>>>(bias_updates, delta, batch, n, size, 1);
    binarize_input_kernel<<<cuda_gridsize(size), BLOCK>>>(input, n, size, binary);
    check_error(cudaPeekAtLastError());
}

void forward_convolutional_layer_gpu(convolutional_layer layer, network_state state)

__global__ void binarize_weights_kernel(float *weights, int n, int size, float *binary)
{
    int f = (blockIdx.x + blockIdx.y*gridDim.x) * blockDim.x + threadIdx.x;
    if (f >= n) return;
    int i = 0;
    float mean = 0;
    for(i = 0; i < size; ++i){
        mean += abs(weights[f*size + i]);
    }
    mean = mean / size;
    for(i = 0; i < size; ++i){
        binary[f*size + i] = (weights[f*size + i] > 0) ? mean : -mean;
        //binary[f*size + i] = weights[f*size + i];
    }
}

void binarize_weights_gpu(float *weights, int n, int size, float *binary)
{
    binarize_weights_kernel<<<cuda_gridsize(n), BLOCK>>>(weights, n, size, binary);
    check_error(cudaPeekAtLastError());
}

void forward_convolutional_layer_gpu(convolutional_layer l, network_state state)
{
    fill_ongpu(l.outputs*l.batch, 0, l.output_gpu, 1);
    if(l.binary){
        binarize_weights_gpu(l.weights_gpu, l.n, l.c*l.size*l.size, l.binary_weights_gpu);
        swap_binary(&l);
    }

    if(l.xnor){
        binarize_weights_gpu(l.weights_gpu, l.n, l.c*l.size*l.size, l.binary_weights_gpu);
        swap_binary(&l);
        binarize_gpu(state.input, l.c*l.h*l.w*l.batch, l.binary_input_gpu);
        state.input = l.binary_input_gpu;
    }

#ifdef CUDNN
    float one = 1;
    cudnnConvolutionForward(cudnn_handle(),
                &one,
                l.srcTensorDesc,
                state.input,
                l.weightDesc,
                l.weights_gpu,
                l.convDesc,
                l.fw_algo,
                state.workspace,
                l.workspace_size,
                &one,
                l.dstTensorDesc,
                l.output_gpu);

#else
    int i;
    int m = layer.n;
    int k = layer.size*layer.size*layer.c;
    int n = convolutional_out_height(layer)*
        convolutional_out_width(layer);

    bias_output_gpu(layer.output_gpu, layer.biases_gpu, layer.batch, layer.n, n);
    for(i = 0; i < layer.batch; ++i){
        im2col_ongpu(state.input + i*layer.c*layer.h*layer.w, layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, layer.pad, layer.col_image_gpu);
        float * a = layer.filters_gpu;
        float * b = layer.col_image_gpu;
        float * c = layer.output_gpu;
    int m = l.n;
    int k = l.size*l.size*l.c;
    int n = l.out_w*l.out_h;
    for(i = 0; i < l.batch; ++i){
        im2col_ongpu(state.input + i*l.c*l.h*l.w, l.c,  l.h,  l.w,  l.size,  l.stride, l.pad, state.workspace);
        float * a = l.weights_gpu;
        float * b = state.workspace;
        float * c = l.output_gpu;
        gemm_ongpu(0,0,m,n,k,1.,a,k,b,n,1.,c+i*m*n,n);
    }
    activate_array_ongpu(layer.output_gpu, m*n*layer.batch, layer.activation);
#endif

    if (l.batch_normalize) {
        forward_batchnorm_layer_gpu(l, state);
    }
    add_bias_gpu(l.output_gpu, l.biases_gpu, l.batch, l.n, l.out_w*l.out_h);

    activate_array_ongpu(l.output_gpu, l.outputs*l.batch, l.activation);
    //if(l.dot > 0) dot_error_gpu(l);
    if(l.binary || l.xnor) swap_binary(&l);
}

void backward_convolutional_layer_gpu(convolutional_layer layer, network_state state)
void backward_convolutional_layer_gpu(convolutional_layer l, network_state state)
{
    gradient_array_ongpu(l.output_gpu, l.outputs*l.batch, l.activation, l.delta_gpu);

    backward_bias_gpu(l.bias_updates_gpu, l.delta_gpu, l.batch, l.n, l.out_w*l.out_h);

    if(l.batch_normalize){
        backward_batchnorm_layer_gpu(l, state);
    }
    float *original_input = state.input;

    if(l.xnor) state.input = l.binary_input_gpu;
#ifdef CUDNN
    float one = 1;
    cudnnConvolutionBackwardFilter(cudnn_handle(),
            &one,
            l.srcTensorDesc,
            state.input,
            l.ddstTensorDesc,
            l.delta_gpu,
            l.convDesc,
            l.bf_algo,
            state.workspace,
            l.workspace_size,
            &one,
            l.dweightDesc,
            l.weight_updates_gpu);

    if(state.delta){
        if(l.binary || l.xnor) swap_binary(&l);
        cudnnConvolutionBackwardData(cudnn_handle(),
                &one,
                l.weightDesc,
                l.weights_gpu,
                l.ddstTensorDesc,
                l.delta_gpu,
                l.convDesc,
                l.bd_algo,
                state.workspace,
                l.workspace_size,
                &one,
                l.dsrcTensorDesc,
                state.delta);
        if(l.binary || l.xnor) swap_binary(&l);
        if(l.xnor) gradient_array_ongpu(original_input, l.batch*l.c*l.h*l.w, HARDTAN, state.delta);
    }

#else
    int m = l.n;
    int n = l.size*l.size*l.c;
    int k = l.out_w*l.out_h;

    int i;
    int m = layer.n;
    int n = layer.size*layer.size*layer.c;
    int k = convolutional_out_height(layer)*
        convolutional_out_width(layer);
    for(i = 0; i < l.batch; ++i){
        float * a = l.delta_gpu;
        float * b = state.workspace;
        float * c = l.weight_updates_gpu;

    gradient_array_ongpu(layer.output_gpu, m*k*layer.batch, layer.activation, layer.delta_gpu);
    backward_bias_gpu(layer.bias_updates_gpu, layer.delta_gpu, layer.batch, layer.n, k);

    if(state.delta) scal_ongpu(layer.batch*layer.h*layer.w*layer.c, 0, state.delta, 1);

    for(i = 0; i < layer.batch; ++i){
        float * a = layer.delta_gpu;
        float * b = layer.col_image_gpu;
        float * c = layer.filter_updates_gpu;

        im2col_ongpu(state.input + i*layer.c*layer.h*layer.w, layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, layer.pad, layer.col_image_gpu);
        im2col_ongpu(state.input + i*l.c*l.h*l.w, l.c,  l.h,  l.w,  l.size,  l.stride, l.pad, state.workspace);
        gemm_ongpu(0,1,m,n,k,1,a + i*m*k,k,b,k,1,c,n);

        if(state.delta){

            float * a = layer.filters_gpu;
            float * b = layer.delta_gpu;
            float * c = layer.col_image_gpu;
            if(l.binary || l.xnor) swap_binary(&l);
            float * a = l.weights_gpu;
            float * b = l.delta_gpu;
            float * c = state.workspace;

            gemm_ongpu(1,0,n,k,m,1,a,n,b + i*k*m,k,0,c,k);

            col2im_ongpu(layer.col_image_gpu, layer.c,  layer.h,  layer.w,  layer.size,  layer.stride, layer.pad, state.delta + i*layer.c*layer.h*layer.w);
            col2im_ongpu(state.workspace, l.c,  l.h,  l.w,  l.size,  l.stride, l.pad, state.delta + i*l.c*l.h*l.w);
            if(l.binary || l.xnor) {
                swap_binary(&l);
            }
            if(l.xnor) gradient_array_ongpu(original_input + i*l.c*l.h*l.w, l.c*l.h*l.w, HARDTAN, state.delta + i*l.c*l.h*l.w);
        }
    }
#endif
}

void pull_convolutional_layer(convolutional_layer layer)
{
    cuda_pull_array(layer.filters_gpu, layer.filters, layer.c*layer.n*layer.size*layer.size);
    cuda_pull_array(layer.weights_gpu, layer.weights, layer.c*layer.n*layer.size*layer.size);
    cuda_pull_array(layer.biases_gpu, layer.biases, layer.n);
    cuda_pull_array(layer.filter_updates_gpu, layer.filter_updates, layer.c*layer.n*layer.size*layer.size);
    cuda_pull_array(layer.weight_updates_gpu, layer.weight_updates, layer.c*layer.n*layer.size*layer.size);
    cuda_pull_array(layer.bias_updates_gpu, layer.bias_updates, layer.n);
    if (layer.batch_normalize){
        cuda_pull_array(layer.scales_gpu, layer.scales, layer.n);
        cuda_pull_array(layer.rolling_mean_gpu, layer.rolling_mean, layer.n);
        cuda_pull_array(layer.rolling_variance_gpu, layer.rolling_variance, layer.n);
    }
}

void push_convolutional_layer(convolutional_layer layer)
{
    cuda_push_array(layer.filters_gpu, layer.filters, layer.c*layer.n*layer.size*layer.size);
    cuda_push_array(layer.weights_gpu, layer.weights, layer.c*layer.n*layer.size*layer.size);
    cuda_push_array(layer.biases_gpu, layer.biases, layer.n);
    cuda_push_array(layer.filter_updates_gpu, layer.filter_updates, layer.c*layer.n*layer.size*layer.size);
    cuda_push_array(layer.weight_updates_gpu, layer.weight_updates, layer.c*layer.n*layer.size*layer.size);
    cuda_push_array(layer.bias_updates_gpu, layer.bias_updates, layer.n);
    if (layer.batch_normalize){
        cuda_push_array(layer.scales_gpu, layer.scales, layer.n);
        cuda_push_array(layer.rolling_mean_gpu, layer.rolling_mean, layer.n);
        cuda_push_array(layer.rolling_variance_gpu, layer.rolling_variance, layer.n);
    }
}

void update_convolutional_layer_gpu(convolutional_layer layer, int batch, float learning_rate, float momentum, float decay)
{
    int size = layer.size*layer.size*layer.c*layer.n;

    axpy_ongpu(layer.n, learning_rate/batch, layer.bias_updates_gpu, 1, layer.biases_gpu, 1);
    scal_ongpu(layer.n, momentum, layer.bias_updates_gpu, 1);

    axpy_ongpu(size, -decay*batch, layer.filters_gpu, 1, layer.filter_updates_gpu, 1);
    axpy_ongpu(size, learning_rate/batch, layer.filter_updates_gpu, 1, layer.filters_gpu, 1);
    scal_ongpu(size, momentum, layer.filter_updates_gpu, 1);
    if(layer.scales_gpu){
        axpy_ongpu(layer.n, learning_rate/batch, layer.scale_updates_gpu, 1, layer.scales_gpu, 1);
        scal_ongpu(layer.n, momentum, layer.scale_updates_gpu, 1);
    }

    if(layer.adam){
        scal_ongpu(size, layer.B1, layer.m_gpu, 1);
        scal_ongpu(size, layer.B2, layer.v_gpu, 1);

        axpy_ongpu(size, -decay*batch, layer.weights_gpu, 1, layer.weight_updates_gpu, 1);

        axpy_ongpu(size, -(1-layer.B1), layer.weight_updates_gpu, 1, layer.m_gpu, 1);
        mul_ongpu(size, layer.weight_updates_gpu, 1, layer.weight_updates_gpu, 1);
        axpy_ongpu(size, (1-layer.B2), layer.weight_updates_gpu, 1, layer.v_gpu, 1);

        adam_gpu(size, layer.weights_gpu, layer.m_gpu, layer.v_gpu, layer.B1, layer.B2, learning_rate/batch, layer.eps, layer.t+1);
        fill_ongpu(size, 0, layer.weight_updates_gpu, 1);
    }else{
        axpy_ongpu(size, -decay*batch, layer.weights_gpu, 1, layer.weight_updates_gpu, 1);
        axpy_ongpu(size, learning_rate/batch, layer.weight_updates_gpu, 1, layer.weights_gpu, 1);
        scal_ongpu(size, momentum, layer.weight_updates_gpu, 1);
    }
}