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Was ist PyTorch?

  • Python

PyTorch ist ein Open-Source-Framework für maschinelles Lernen, das für den Aufbau tiefer neuronaler Netze verwendet wird. Es wird von Facebook AI Research (FAIR) entwickelt und ist in Python geschrieben. PyTorch bietet eine breite Palette integrierter Modelle, wie z. B. Convolutional Neural Networks (CNNs), Recurrent Neural Networks (RNNs) und Generative Adversarial Networks (GANs), die den Benutzern den Einstieg in das Deep Learning erleichtern.

Was ist PyTorch?

PyTorch ist eine Open-Source-Bibliothek für maschinelles Lernen in Python, die häufig für die Entwicklung und das Training von Deep-Learning-Modellen verwendet wird. Sie wurde vom KI-Forschungsteam von Facebook entwickelt und wird nun von einer großen Gemeinschaft von Mitwirkenden gepflegt.

Eines der Hauptmerkmale von PyTorch ist sein dynamischer Berechnungsgraph. Das bedeutet, dass der Berechnungsgraph während der Ausführung des Programms on-the-fly erstellt wird und nicht wie bei anderen Deep-Learning-Frameworks wie TensorFlow vordefiniert ist. Dies erleichtert die Fehlersuche und Iteration von Modellen, da Änderungen an der Modellstruktur vorgenommen werden können und der Graph automatisch aktualisiert wird.

Ein weiterer Vorteil ist die Benutzerfreundlichkeit. Die Bibliothek bietet eine High-Level-API, die viele der Low-Level-Details des Deep Learning abstrahiert, was es Forschern und Entwicklern erleichtert, sich auf den Modellierungsaspekt ihrer Arbeit zu konzentrieren. PyTorch bietet auch hervorragende Unterstützung für GPU-Beschleunigung, so dass Deep-Learning-Modelle viel schneller als auf einer CPU trainiert werden können.

Es unterstützt eine breite Palette von neuronalen Netzwerkarchitekturen, darunter Faltungsneuronale Netze (CNNs), rekurrente neuronale Netze (RNNs) und Transformer. Außerdem bietet es eine Reihe von vortrainierten Modellen, die für bestimmte Aufgaben fein abgestimmt werden können.

PyTorch ist so konzipiert, dass es äußerst flexibel und erweiterbar ist. Es kann für eine breite Palette von Anwendungen eingesetzt werden, von der Verarbeitung natürlicher Sprache (NLP) und Computer Vision bis hin zu Reinforcement Learning und generativer Modellierung. PyTorch ist außerdem in hohem Maße interoperabel mit anderen Python-Bibliotheken wie NumPy, SciPy und Pandas.

Insgesamt ist das Framework eine ausgezeichnete Wahl für Forscher und Entwickler, die eine flexible und einfach zu bedienende Deep-Learning-Bibliothek suchen, die an ihre spezifischen Bedürfnisse angepasst werden kann. Sein dynamischer Berechnungsgraph, seine Benutzerfreundlichkeit und die Unterstützung für GPU-Beschleunigung machen es zu einer beliebten Wahl in der Deep-Learning-Gemeinschaft.

Was sind die Vorteile des Frameworks?

PyTorch ist für viele Nutzer das Standardwerkzeug zum Erstellen und Trainieren von Machine Learning-Modellen. Es ist auch wegen der folgenden Vorteile sehr beliebt:

  • Dynamische Berechnungsgraphen: PyTorch verwendet dynamische Berechnungsgraphen, die es den Nutzern ermöglichen, den Berechnungsgraphen im laufenden Betrieb zu definieren und zu ändern. Dies macht es einfach, mit verschiedenen Modellarchitekturen zu experimentieren und sie in Echtzeit zu optimieren.
  • Einfache Bedienung: Das Framework verfügt über eine einfache und intuitive Benutzeroberfläche, die Anfängern den Einstieg in Deep Learning erleichtert.
  • Schnelles Prototyping: PyTorch ermöglicht ein schnelles Prototyping und Experimentieren mit einer flexiblen Architektur, die eine schnelle Iteration und das Testen verschiedener Modellkonfigurationen ermöglicht.
  • Großartige Visualisierungswerkzeuge: PyTorch enthält integrierte Funktionen zur Visualisierung von Modellarchitekturen und Trainingsfortschritten, die die Überwachung und Fehlersuche bei Modellen während des Trainings erleichtern.
  • Effiziente Speicherverwaltung: Das Framework bietet eine effiziente Speicherverwaltung, die es dem Benutzer ermöglicht, große neuronale Netze mit begrenzten Hardware-Ressourcen zu trainieren.

Was sind die Nachteile?

Obwohl PyTorch in den letzten Jahren aufgrund seiner benutzerfreundlichen Oberfläche, seiner Flexibilität und seiner dynamischen Natur große Popularität erlangt hat, hat es auch einige Nachteile.

Ein großer Nachteil des Frameworks ist seine im Vergleich zu anderen Deep-Learning-Frameworks relativ langsame Leistung. Dies liegt daran, dass es einen dynamischen Berechnungsgraphen verwendet, was im Vergleich zu Frameworks, die einen statischen Berechnungsgraphen verwenden, zu einer langsameren Leistung führen kann. Obwohl es Optionen zur Leistungsoptimierung bietet, kann es im Vergleich zu anderen Frameworks mehr Aufwand erfordern, um eine hohe Leistung zu erzielen.

Ein weiterer Nachteil des Tools ist die relativ kleine Community im Vergleich zu anderen Deep-Learning-Frameworks wie TensorFlow. Dies kann die Suche nach Ressourcen und Unterstützung bei der Entwicklung komplexer Projekte oder der Behebung von Problemen erschweren.

Außerdem fehlen in PyTorch einige eingebaute Funktionen, wie z. B. integrierte Tools zur Datenerweiterung oder Modellquantisierungsfunktionen. Dies kann mehr Aufwand und Zeit erfordern, um diese Funktionen zu implementieren, insbesondere für diejenigen, die mit der Struktur und den Funktionen des Frameworks nicht vertraut sind.

Schließlich kann PyTorch im Vergleich zu anderen Frameworks weniger gut für den Einsatz von Modellen in Produktionsumgebungen geeignet sein. Das liegt daran, dass ihm einige der Einsatzwerkzeuge und Integrationen fehlen, die andere Frameworks bieten, wie TensorFlow’s TensorRT oder ONNX Runtime.

Insgesamt kann PyTorch aufgrund seiner begrenzten Leistung und Community-Größe, zusammen mit dem Fehlen bestimmter eingebauter Funktionen und Deployment-Tools, weniger geeignet sein.

Welche Modelle sind enthalten?

Das Framework bietet eine Reihe von verschiedenen Modellen, die für verschiedene Aufgaben des maschinellen Lernens verwendet werden können, jedes mit seinen Stärken und Schwächen.

  • Convolutional Neural Networks (CNNs): PyTorch enthält integrierte Funktionen zum Erstellen und Trainieren von CNNs, die häufig zur Bildklassifizierung, Objekterkennung und Segmentierung verwendet werden.
The picture shows a convolution layer of a convolutional neural network.
Convolution Prozess Beispiel | Quelle: Author
  • Rekurrente Neuronale Netze (RNNs): PyTorch bietet integrierte Unterstützung für RNNs, die häufig für die Verarbeitung natürlicher Sprache (NLP) verwendet werden, z. B. für Sprachübersetzung und Stimmungsanalyse.
Das Bild zeigt den schematischen Aufbau eines Recurrent Neural Networks
Recurrent Neural Network | Quelle: Autor
  • Generative Adversarial Networks (GANs): Es enthält integrierte Funktionen für den Aufbau und das Training von GANs, die für die Erzeugung realistischer Bilder, Videos und Audios verwendet werden.
  • Reinforcement Learning (RL): PyTorch unterstützt auch Reinforcement Learning, ein Teilgebiet des maschinellen Lernens, das sich darauf konzentriert, Maschinen zu lehren, Entscheidungen auf der Grundlage von Versuch und Irrtum zu treffen.

TensorFlow vs. PyTorch

TensorFlow und PyTorch sind zwei mögliche Frameworks für maschinelles Lernen in Python, die sich in mancher Hinsicht unterscheiden, aber grundsätzlich ähnliche Funktionalitäten bieten. PyTorch wurde von Facebook entwickelt und verwendet, während TensorFlow von Google stammt. Auch aus diesem Grund ist die Wahl zwischen den beiden Alternativen in vielen Fällen eher Geschmackssache.

Einen detaillierten Vergleich der beiden Frameworks heben wir uns für einen separaten Beitrag auf. Zusammengefasst lässt sich die Wahl zwischen TensorFlow und Pytorch jedoch in diese drei Hauptpunkte unterteilen:

Verfügbarkeit von neuen Modellen

In vielen Bereichen, wie der Bilderkennung oder der Verarbeitung natürlicher Sprache, ist es einfach nicht mehr zeitgemäß, ein Modell von Grund auf neu zu erstellen. Aufgrund der Komplexität der Anwendungen muss auf vortrainierte Modelle zurückgegriffen werden. In der Forschung und Entwicklung ist PyTorch sehr stark und bietet Forschern seit Jahren einen guten Rahmen für das Training ihrer Modelle. Infolgedessen werden ihre neuen Modelle und Erkenntnisse meist auf PyTorch verbreitet. Daher hat PyTorch in diesem Punkt die Nase vorn.

Einsatz

In einem industriellen Umfeld kommt es jedoch nicht auf die allerletzten Prozentpunkte Genauigkeit an, die mit einem neuen Modell extrahiert werden können, sondern darauf, dass das Modell einfach und schnell eingesetzt werden kann und dann den Mitarbeitern oder Kunden zur Verfügung steht.

An dieser Stelle ist TensorFlow die bessere Alternative, insbesondere durch die Zusatzkomponenten TensorFlowLite und TensorFlow Serving, und bietet viele Möglichkeiten, trainierte Modelle einfach einzusetzen. In diesem Framework liegt der Fokus auf dem End-to-End Deep Learning Prozess, d.h. die Schritte vom anfänglichen Datensatz bis zu einem nutzbaren und zugänglichen Modell.

Ökosystem

Sowohl TensorFlow als auch PyTorch bieten verschiedene Plattformen an, in denen Repositories mit funktionierenden und vortrainierten Modellen geteilt und evaluiert werden können. Die verschiedenen Plattformen unterscheiden sich vor allem durch die Themen der Modelle. Insgesamt liegt der Vergleich in diesem Punkt sehr eng beieinander, wobei TensorFlow hier einen kleinen Vorsprung hat, da es eine funktionierende End-to-End-Lösung für fast alle Themenbereiche bietet.

Für einen noch detaillierteren Überblick über diese drei Punkte empfehlen wir diesen Artikel von AssemblyAI.

Was sind die Anwendungsgebiete von PyTorch?

Ein wichtiger Bereich, in dem PyTorch häufig eingesetzt wird, ist die Computer Vision, wo es für Bildklassifizierung, Objekterkennung und Bildsegmentierung eingesetzt wird. Die Fähigkeit von PyTorch, große Datensätze zu verarbeiten, und seine Unterstützung für verteiltes Training machen es zu einer beliebten Wahl für Forscher und Praktiker in diesem Bereich.

Das Bild zeigt 10 Bilder aus dem CIFAR10 Datensatz inklusive der Klassen, denen sie angehören.
Bildklassifizierung | Quelle: Autor

Ein weiterer Bereich, in dem sich PyTorch bewährt hat, ist die Verarbeitung natürlicher Sprache (NLP). PyTorch bietet eine leistungsstarke Plattform für den Aufbau und das Training neuronaler Netze für Aufgaben wie Textklassifizierung, Stimmungsanalyse und maschinelle Übersetzung. Durch den dynamischen Berechnungsgraphen von PyTorch eignet es sich auch gut für die Entwicklung von Modellen, die Eingabesequenzen variabler Länge verarbeiten können.

PyTorch wird auch in anderen Bereichen eingesetzt, z. B. beim Verstärkungslernen, wo es zur Entwicklung von Agenten verwendet wurde, die Spiele wie Atari und Go spielen können. Darüber hinaus wurde PyTorch für die Analyse und Vorhersage von Zeitreihen sowie für die Spracherkennung und -synthese eingesetzt.

Das Bild zeigt die verschiedenen Machine Learning Felder im Überblick.
Überblick der Machine Learning Kategorien | Quelle: Autor

Insgesamt machen die Flexibilität und Vielseitigkeit von PyTorch es zu einem leistungsstarken Werkzeug für den Aufbau und das Training neuronaler Netze in einem breiten Spektrum von Anwendungen. Seine Popularität hat in den letzten Jahren rapide zugenommen, und es ist heute eines der weltweit am häufigsten verwendeten Frameworks für maschinelles Lernen.

Das solltest Du mitnehmen

  • PyTorch ist ein leistungsfähiges Deep-Learning-Framework, das eine breite Palette integrierter Modelle bietet und den Einstieg in das Deep Learning erleichtert.
  • Es hat viele Vorteile, darunter dynamische Berechnungsgraphen, Benutzerfreundlichkeit, schnelles Prototyping, großartige Visualisierungstools und eine effiziente Speicherverwaltung.
  • Die dynamischen Berechnungsgraphen und die Flexibilität machen es zu einer ausgezeichneten Wahl für schnelles Prototyping und Experimente, während die effiziente Speicherverwaltung es den Benutzern ermöglicht, große neuronale Netze mit begrenzten Hardware-Ressourcen zu trainieren.
  • Trotz seiner Nachteile bleibt es eines der beliebtesten Deep-Learning-Frameworks, insbesondere in der Forschungsgemeinschaft.
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