面向深度學(xué)習(xí)的虛擬化人工智能實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)研究

程遠(yuǎn)航

摘??要：分析了人工智能實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景，介紹了深度學(xué)習(xí)和虛擬化技術(shù)的原理，給出了建設(shè)面向深度學(xué)習(xí)的人工智能實(shí)驗(yàn)室需要的硬件和軟件平臺(tái)方案，深入分析了硬件資源的搭建和管理以及軟件環(huán)境的部署和開源數(shù)據(jù)集的選擇。最后提供一些實(shí)驗(yàn)測試和評估的方案。這些工作將有助于提高實(shí)驗(yàn)室的性能、效率和可靠性，推動(dòng)深度學(xué)習(xí)的研究以及教學(xué)的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)???虛擬化技術(shù)???GPU虛擬化???人工智能??實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

中圖分類號(hào)：TP393

Research?on?the?Virtual?Open?Platform?of?Artificial?Intelligence?Laboratories?for?Deep?Learning

CHENG?Yuanhang

College?of?Science?and?Technology，?Guizhou?University，?Guiyang，?Guizhou?Province，?550025?China

Abstract：?This?article?analyzes?the?development?status?and?future?prospects?of?artificial?intelligence?laboratories，?introduces?the?principles?of?deep?learning?and?virtualization?technology，?gives?the?program?of?hardware?and?software?platforms?required?to?build?artificial?intelligence?laboratories?for?deep?learning，?deeply?analyzes?the?construction?and?management?of?hardware?resources，?the?deployment?of?the?software?environment?and?the?selection?of?open?source?datasets，?and?finally?provides?some?plans?for?experimental?testing?and?evaluation，?which?will?help?improve?the?performance，?efficiency?and?reliability?of?laboratories，?and?promote?research?on?deep?learning?and?the?progress?of?teaching.

Key?Words：?Deep?learning;?Virtualization?technology;?GPU?virtualization;?Artificial?intelligence;?Laboratory?construction

虛擬化技術(shù)作為一種新型的解決方案，在國內(nèi)外得到了廣泛研究和應(yīng)用。通過虛擬化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對硬件資源的靈活調(diào)度和高效利用，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和維護(hù)成本。結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可以構(gòu)建一個(gè)面向深度學(xué)習(xí)的虛擬化人工智能實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)，提高深度學(xué)習(xí)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和效果。本文旨在研究面向深度學(xué)習(xí)的虛擬化人工智能實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)，以滿足高校實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)和研究需求。通過綜合分析國內(nèi)外相關(guān)研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本研究將設(shè)計(jì)和優(yōu)化虛擬化平臺(tái)的架構(gòu)和功能，探索虛擬機(jī)管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、安全與權(quán)限控制等關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效的資源利用、靈活的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和安全的實(shí)驗(yàn)操作，有助于中國高校人工智能教育和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展，為提高深度學(xué)習(xí)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平，培養(yǎng)更多創(chuàng)新型人才提供有益的借鑒和參考。

1?深度學(xué)習(xí)與虛擬化技術(shù)

深度學(xué)習(xí)作為人工智能領(lǐng)域的重要分支，以其在圖像識(shí)別、自然語言處理、語音識(shí)別等領(lǐng)域取得的卓越成果而備受矚目。然而，深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練和推理過程對于計(jì)算資源的需求非常高。目前，部分中國高校尤其是西部高校的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備存在老化和落后的情況，無法滿足深度學(xué)習(xí)和人工智能領(lǐng)域的研究需求。盡管一些學(xué)校投入了大量資金購買新設(shè)備，但由于技術(shù)更新?lián)Q代迅速，設(shè)備很快便面臨淘汰的風(fēng)險(xiǎn)。人工智能領(lǐng)域，大語言模型的設(shè)備投入也不是一般普通高校能投入的，因此虛擬化技術(shù)為高校實(shí)驗(yàn)室提供了一種靈活、高效的解決方案，以滿足深度學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的需求。通過虛擬化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對硬件資源的靈活調(diào)度和高效利用，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和維護(hù)成本。同時(shí)，虛擬化技術(shù)還可以為學(xué)生提供一種沙盒環(huán)境，使其可以在隔離的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)，從而提高實(shí)驗(yàn)的安全性和效率。

傳統(tǒng)高校采用的虛擬化方案主要有虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)（Virtual?Desktop?Infrastructure，VDI），它完全將計(jì)算資源部署于云端，所有桌面全部運(yùn)行在云服務(wù)器端，本地終端僅承載一個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)。還有一種智能桌面虛擬化架構(gòu)（ntelligent?Desktop?Virtualization，IDV）?架構(gòu)，它采用了“集中管理，本地運(yùn)算”的方式，服務(wù)器僅提供鏡像制作、終端策略管理等功能，當(dāng)制作完鏡像文件之后下發(fā)給終端，由終端通過本地的計(jì)算資源渲染出相應(yīng)的桌面，優(yōu)點(diǎn)在于能夠不受硬件限制能夠虛擬出XP等較老的操作系統(tǒng)；缺點(diǎn)在于由于本地運(yùn)行虛擬化層及操作系統(tǒng)，資源會(huì)有一定損耗。另外，虛擬操作系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)（Virtual?Operatingsystem?Infrastructure，VOI）架構(gòu)也比較常見，該架構(gòu)由服務(wù)器來管理操作系統(tǒng)鏡像，并下發(fā)給終端，操作系統(tǒng)運(yùn)行于終端本地硬件上。計(jì)算任務(wù)完全由終端承擔(dān)，服務(wù)器只負(fù)責(zé)鏡像管理、鏡像上傳下載，以及終端的管理工作。

以新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、人工智能、大數(shù)據(jù)中心為代表的“新基建”的迅猛發(fā)展將為教育信息化發(fā)展注入強(qiáng)動(dòng)力。高校對計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)有了更多的需求，具體需求如下：（1）實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)是否滿足上課、測試、考試、作業(yè)實(shí)驗(yàn)，畢業(yè)設(shè)計(jì)等需求；（2）實(shí)驗(yàn)室的管理是否方便，使用是否便捷，是否可以方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和維護(hù)；（3）實(shí)驗(yàn)室是否兼容各類教學(xué)應(yīng)用，是否兼容各類教學(xué)系統(tǒng)，是否兼容常用的教學(xué)外接設(shè)備，是否對老舊設(shè)備友好；（4）實(shí)驗(yàn)室的并發(fā)啟動(dòng)、系統(tǒng)創(chuàng)建、軟件更新、故障恢復(fù)等速度是否夠快；（5）實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)是否穩(wěn)定、云桌面是否穩(wěn)定等。

2?開放平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

面向深度學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)室由硬件平臺(tái)和軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成，硬件平臺(tái)如圖1所示，包含了一套高性能的服務(wù)器集群，用于承擔(dān)深度學(xué)習(xí)任務(wù)的計(jì)算需求。服務(wù)器具備強(qiáng)大的計(jì)算能力和高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，使用GPU加速卡；配置高速、大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)大規(guī)模的數(shù)據(jù)集、模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果；配置核心交換機(jī)確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定、高速，以便實(shí)現(xiàn)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互和遠(yuǎn)程訪問；防火墻提供安全保證。其中，GPU的虛擬化是建設(shè)的重點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的需求和預(yù)算，選擇適量的GPU數(shù)量和型號(hào)，每個(gè)服務(wù)器配備多塊GPU，以提供足夠的GPU計(jì)算資源。服務(wù)器應(yīng)具備強(qiáng)大的計(jì)算能力、高速的數(shù)據(jù)傳輸能力和充足的內(nèi)存容量。選擇支持GPU虛擬化的平臺(tái)，如NVIDIA的NVIDIA?Virtual?GPU?（vGPU）、VMware的vSphere?with?vGPU、Citrix的XenServer?with?NVIDIA?vGPU等，使用虛擬化平臺(tái)創(chuàng)建和管理虛擬機(jī)實(shí)例，為每個(gè)虛擬機(jī)分配適當(dāng)?shù)腉PU資源。將物理GPU劃分為多個(gè)虛擬GPU，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室需求和用戶規(guī)模進(jìn)行合理分配?？梢圆捎渺o態(tài)分配或動(dòng)態(tài)分配的方式，根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬GPU資源的分配，監(jiān)控和管理虛擬機(jī)使用的GPU資源，確保每個(gè)用戶獲得公平的GPU資源份額，并根據(jù)需要進(jìn)行任務(wù)調(diào)度、性能監(jiān)控和負(fù)載均衡。針對人工智能課程的要求，可選擇使用高性能VOI云桌面終端或采用顯卡虛擬化技術(shù)的VDI桌面終端。如圖2所示。

軟件環(huán)境平臺(tái)需要從操作系統(tǒng)的虛擬化、深度學(xué)習(xí)框架、GPU驅(qū)動(dòng)和CUDA、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)管理、部署Jupyter?Notebook服務(wù)器、開發(fā)工具和編輯器、容器化支持等方面進(jìn)行部署。部署內(nèi)容如下表1所示。

提供靈活的實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理和部署。這樣可以方便地創(chuàng)建、保存和共享實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境的一致性和可重復(fù)性深度學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)很重要的一部分就是數(shù)據(jù)集，可以根據(jù)具體課程，有很多開源數(shù)據(jù)集可以選擇。ImageNet是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域最常用的數(shù)據(jù)集之一，包含了數(shù)百萬張標(biāo)記過的圖像，用于圖像分類、定位等任務(wù)。COCO?（Common?Objects?in?Context）是一個(gè)用于圖像識(shí)別、分割和標(biāo)題生成的大規(guī)模數(shù)據(jù)集。它包含了日常生活中的各種場景，并且有豐富的標(biāo)注信息。WikiText是一個(gè)用于自然語言處理任務(wù)的大型文本數(shù)據(jù)集，包含了從維基百科文章中提取的文本。LibriSpeech是一個(gè)用于語音識(shí)別任務(wù)的數(shù)據(jù)集，包含了大量的英文語音錄音和相應(yīng)的文本轉(zhuǎn)錄。KITTI是一個(gè)用于計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)的數(shù)據(jù)集，特別是在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，它包含了從車載傳感器（如攝像頭、激光雷達(dá)和GPS）收集的數(shù)據(jù)。GLUE?（General?Language?Understanding?Evaluation）是一個(gè)用于自然語言理解任務(wù)的數(shù)據(jù)集集合，包含了多個(gè)不同類型的自然語言處理任務(wù)。還有一下入門級(jí)的MNIST?和?CIFAR等數(shù)據(jù)集。

3??實(shí)驗(yàn)與評估方案

對深度學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試評估，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室的功能和性能。主要完成圖像分類、自然語言處理、語音識(shí)別和處理、生成模型實(shí)驗(yàn)、目標(biāo)檢測和跟蹤、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)模型優(yōu)化和壓縮、遷移學(xué)習(xí)和領(lǐng)域適應(yīng)、對抗性攻擊和防御等實(shí)驗(yàn)。

采用以下實(shí)驗(yàn)測試和評估方法對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評測。（1）運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的深度學(xué)習(xí)基準(zhǔn)測試套件，來評估實(shí)驗(yàn)室配置的性能和吞吐量。使用特定的深度學(xué)習(xí)模型和數(shù)據(jù)集進(jìn)行測試，對比不同配置下的模型訓(xùn)練和推理性能。（2）使用常見的深度學(xué)習(xí)模型，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行模型訓(xùn)練和調(diào)優(yōu)。測試不同超參數(shù)和優(yōu)化算法對模型性能的影響，如學(xué)習(xí)率、批量大小、正則化等。（3）使用實(shí)驗(yàn)室配置進(jìn)行深度學(xué)習(xí)模型的推理測試，評估推理速度和準(zhǔn)確性。（4）測試不同模型推理加速技術(shù)的效果。（5）模擬多用戶共享GPU資源的場景，評估實(shí)驗(yàn)室配置在多用戶環(huán)境下的性能和資源管理能力。（6）測試不同用戶同時(shí)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)的資源分配和調(diào)度效果。（7）對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中常用的數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理和預(yù)處理，如數(shù)據(jù)清洗、圖像處理、特征提取等，評估處理和預(yù)處理過程的效率和準(zhǔn)確性。（8）進(jìn)行長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)或模型訓(xùn)練，評估實(shí)驗(yàn)室配置的穩(wěn)定性和可靠性，檢查系統(tǒng)日志和錯(cuò)誤日志，排查潛在的問題并進(jìn)行故障排除。

4??結(jié)語

本文分析和設(shè)計(jì)了一個(gè)面向深度學(xué)習(xí)的虛擬化人工智能實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)，并給出了合理的方案。給出了硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，通過選擇服務(wù)器集群、虛擬化平臺(tái)、操作系統(tǒng)、安裝和配置深度學(xué)習(xí)框架、提供數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)管理、部署Jupyter?Notebook服務(wù)器、提供開發(fā)工具和編輯器、支持虛擬化或容器化技術(shù)、配置版本控制和協(xié)作工具以及考慮GPU虛擬化方案等措施，可以建立一個(gè)高效、靈活、可擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)棧，滿足深度學(xué)習(xí)研究和開發(fā)的需求。另外，還設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測試和評估的方案，如基準(zhǔn)測試、模型訓(xùn)練與調(diào)優(yōu)等。通過實(shí)施這些方案，研究人員可以有效地搭建實(shí)驗(yàn)室環(huán)境并進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)、測試和評估。通過本文的分析和設(shè)計(jì)，可以建立一個(gè)面向深度學(xué)習(xí)的虛擬化人工智能實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)，為深度學(xué)習(xí)研究和開發(fā)提供全面的技術(shù)支持和解決方案。這將有助于促進(jìn)深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，推動(dòng)高校人工智能領(lǐng)域教學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展。

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