​Jax 生态再添新库：DeepMind 开源 Haiku、RLax

机器之心报道

参与：一鸣

Jax 是一个优秀的代码库，在进行科学计算的同时能够自动微分，还有 GPU、TPU 的性能加速加持。但是 Jax 的生态还不够完善，使用者相比 TF、PyTorch 少得多。近日，DeepMind 开源了两个基于 Jax 的新库，给这个生态注入了新的活力。

Jax 是谷歌开源的一个科学计算库，能对 Python 程序与 NumPy 运算执行自动微分，而且能够在 GPU 和 TPU 上运行，具有很高的性能。基于 Jax 已有很多优秀的开源项目，如 Trax 等。近日，DeepMind 开源了两个基于 Jax 的新机器学习库，分别是 Haiku 和 RLax，它们都有着各自的特色，对于丰富深度学习社区框架、提升研究者和开发者的使用体验有着不小的意义。
Haiku：https://github.com/deepmind/haikuRLax：https://github.com/deepmind/rlax
Haiku：在 Jax 上进行面向对象开发
首先值得注意的是 Haiku，这是一个面向 Jax 的深度学习代码库，它是由 Sonnet 作者——一个谷歌的神经网络库团队开发的。
为什么要使用 Haiku？这是因为其支持的是 Jax，Jax 在灵活性和性能上具有相当的优势。但是另一方面，Jax 本身是函数式的，和面向对象的用户习惯有差别。因此，通过 Haiku，用户可以在 Jax 上进行面向对象开发了。
此外，Haiku 的 API 和编程模型都是基于 Sonnet，因此使用过 Sonnet 的用户可以快速上手。项目作者也表示，Sonnet 之于 TensorFlow 的提升就如同 Haiku 之于 Jax。
目前，Haiku 已公开了 Alpha 版本，已完全开源。项目作者欢迎使用者提出建议。
Haiku 怎么和 Jax 交互
Haiku 主要分为两个模块：hk.Modules和 hk.transform。下文将会分别介绍。
hk.Modules 是 Python 对象，保存着到参数、其他模块和方法的参照（references）。
hk.transform 则负责将面向对象的模块转换为纯粹的函数式代码，然后让 jax 中的 jax.jit, jax.grad, jax.pmap 等进行处理，从而实现和 Jax 组件的兼容。
Haiku 的功能
Haiku 能够做到很多机器学习需要完成的任务，相关功能和代码如下：

自定义你的模块

在 Haiku 中，类似于 TF2.0 和 PyTorch，你可以自定义模块，作为 hk.Module 的子类。例如，自定义一个线性层：

class MyLinear(hk.Module):  def __init__(self, output_size, name=None):    super(MyLinear, self).__init__(name=name)    self.output_size = output_size  def __call__(self, x):    j, k = x.shape[-1], self.output_size    w_init = hk.initializers.TruncatedNormal(1. / np.sqrt(j))    w = hk.get_parameter("w", shape=[j, k], dtype=x.dtype, init=w_init)    b = hk.get_parameter("b", shape=[k], dtype=x.dtype, init=jnp.zeros)    return jnp.dot(x, w) + b

可以看出，Haiku 的代码和 TensorFlow 等非常相似，但是你可以看到包括 numpy 等的方法还可以定义在模块中。Haiku 的优势就在于，它不是一个封闭的框架，而是代码库，因此可以在定义模块的过程中调用其他的库和方法。
当定义好线性层后，我们想要试试自动微分的方法了：

def forward_fn(x):  model = MyLinear(10)  return model(x)# Turn `forward_fn` into an object with `init` and `apply` methods.forward = hk.transform(forward_fn)x = jnp.ones([1, 1])# When we run `forward.init`, Haiku will run `forward(x)` and collect initial# parameter values. Haiku requires you pass a RNG key to `init`, since parameters# are typically initialized randomly:key = hk.PRNGSequence(42)params = forward.init(next(key), x)# When we run `forward.apply`, Haiku will run `forward(x)` and inject parameter# values from the `params` that are passed as the first argument. We do not require# an RNG key by default since models are deterministic. You can (of course!) change# this using `hk.transform(f, apply_rng=True)` if you prefer:y = forward.apply(params, x)

这里可以看到，定义好模块和前向传播的函数后，使用 hk.transform(forward_fn) 可以将这种面向对象的方法转换成 Jax 底层的函数式代码进行处理，因此你不需要担心底层的计算问题。另外，这里的代码相比 TensorFlow 还要简洁。
非训练状态
有时候，我们想要在训练的过程中保持某些内部参数的状态，在 Haiku 上这也是非常容易实现的。

def forward(x, is_training):  net = hk.nets.ResNet50(1000)  return net(x, is_training)forward = hk.transform_with_state(forward)# The `init` function now returns parameters **and** state. State contains# anything that was created using `hk.set_state`. The structure is the same as# params (e.g. it is a per-module mapping of named values).params, state = forward.init(rng, x, is_training=True)# The apply function now takes both params **and** state. Additionally it will# return updated values for state. In the resnet example this will be the# updated values for moving averages used in the batch norm layers.logits, state = forward.apply(params, state, rng, x, is_training=True)

如上所示，只需要两行代码进行设置。
和 jax.pmap 联合进行分布式训练
由于所有的代码都会被转换成 Jax 的函数，因此它们和 jax.pmap. 是完全兼容的。这说明，我们可以利用 jax.pmap 来进行分布式计算。
如下为进行数据分割的分布式加速代码，首先，我们先定义模型和训练步骤：

def loss_fn(inputs, labels):  logits = hk.nets.MLP([8, 4, 2])(x)  return jnp.mean(softmax_cross_entropy(logits, labels))loss_obj = hk.transform(loss_fn)# Initialize the model on a single device.rng = jax.random.PRNGKey(428)sample_image, sample_label = next(input_dataset)params = loss_obj.init(rng, sample_image, sample_label)

然后设定将参数拷贝到所有的设备上：

# Replicate params onto all devices.num_devices = jax.local_device_count()params = jax.tree_util.tree_map(lambda x: np.stack([x] * num_devices), params)

定义数据分批的方法，以及参数更新的方法：

def make_superbatch():  """Constructs a superbatch, i.e. one batch of data per device."""  # Get N batches, then split into list-of-images and list-of-labels.  superbatch = [next(input_dataset) for _ in range(num_devices)]  superbatch_images, superbatch_labels = zip(*superbatch)  # Stack the superbatches to be one array with a leading dimension, rather than  # a python list. This is what `jax.pmap` expects as input.  superbatch_images = np.stack(superbatch_images)  superbatch_labels = np.stack(superbatch_labels)  return superbatch_images, superbatch_labelsdef update(params, inputs, labels, axis_name='i'):  """Updates params based on performance on inputs and labels."""  grads = jax.grad(loss_obj.apply)(params, inputs, labels)  # Take the mean of the gradients across all data-parallel replicas.  grads = jax.lax.pmean(grads, axis_name)  # Update parameters using SGD or Adam or ...  new_params = my_update_rule(params, grads)  return new_params

最后开始分布式计算即可：

# Run several training updates.for _ in range(10):  superbatch_images, superbatch_labels = make_superbatch()  params = jax.pmap(update, axis_name='i')(params, superbatch_images,                                           superbatch_labels)

RLax：Jax 上也有强化学习库了
除了令人印象深刻的 Haiku 外，DeepMind 还开源了 RLax——这是一个基于 Jax 的强化学习库。
相比 Haiku，RLax 专门针对强化学习。项目作者认为，尽管强化学习中的算子和函数并不是完全的算法，但是，如果需要构建完全基于函数式的智能体，就需要特定的数学算子。
因此，函数式的 Jax 就成为了一个不错的选择。在 Jax 上进行一定的开发后，就可以有专用的强化学习库了。RLax 目前的资料还较少，但项目已提供了一个示例代码：使用 RLax 进行 Q-learning 模型的搭建和训练。
代码如下，首先，使用 Haiku 构建基本的强化学习模型：

def build_network(num_actions: int) -> hk.Transformed:  def q(obs):    flatten = lambda x: jnp.reshape(x, (-1,))    network = hk.Sequential(        [flatten, nets.MLP([FLAGS.hidden_units, num_actions])])    return network(obs)  return hk.transform(q)

设定训练的方法：

def main_loop(unused_arg):  env = catch.Catch(seed=FLAGS.seed)  rng = hk.PRNGSequence(jax.random.PRNGKey(FLAGS.seed))  # Build and initialize Q-network.  num_actions = env.action_spec().num_values  network = build_network(num_actions)  sample_input = env.observation_spec().generate_value()  net_params = network.init(next(rng), sample_input)  # Build and initialize optimizer.  optimizer = optix.adam(FLAGS.learning_rate)  opt_state = optimizer.init(net_params)

以下和 Jax 结合，定义策略、奖励等：

@jax.jitdef policy(net_params, key, obs):    """Sample action from epsilon-greedy policy."""    q = network.apply(net_params, obs)    a = rlax.epsilon_greedy(epsilon=FLAGS.epsilon).sample(key, q)    return q, a@jax.jitdef eval_policy(net_params, key, obs):    """Sample action from greedy policy."""    q = network.apply(net_params, obs)    return rlax.greedy().sample(key, q)@jax.jitdef update(net_params, opt_state, obs_tm1, a_tm1, r_t, discount_t, q_t):    """Update network weights wrt Q-learning loss."""def q_learning_loss(net_params, obs_tm1, a_tm1, r_t, discount_t, q_t):    q_tm1 = network.apply(net_params, obs_tm1)    td_error = rlax.q_learning(q_tm1, a_tm1, r_t, discount_t, q_t)    return rlax.l2_loss(td_error)    dloss_dtheta = jax.grad(q_learning_loss)(net_params, obs_tm1, a_tm1, r_t,                                             discount_t, q_t)    updates, opt_state = optimizer.update(dloss_dtheta, opt_state)    net_params = optix.apply_updates(net_params, updates)    return net_params, opt_stateprint(f"Training agent for {FLAGS.train_episodes} episodes...")

可以看到，RLax 基于 jax.jit 的方法，在性能方面有不错的提升。更有趣的是，构建模型的过程中使用了前文提到的 Haiku，可见基于 Jax 生态的代码库之间都是可以兼容的。
从 DeepMind 近日开源的两个代码库可以看到，虽然现在深度学习框架依然在稳步发展，但是针对高性能的科学计算也渐渐变得更为重要了。而 Jax 这样的优秀开源项目，无疑也需要更多的生态支持。这次开源的 Haiku 和 RLax，无疑能够巩固 Jax 的地位，使其优秀的特性进一步得到发挥。