AWS E2 G2インスタンス上にKeras環境を構築する 2017年2月版

# はじめに

Deep Learningをやろうと思ったらでかい計算資源が必要なのが当たり前なのだけど、手持ちのPCのスペックで十分とかそうそうありはしないので、EC2のGPUインスタンスをささっと立てて使うのも手だと思う。

FrameworkはKerasでバックエンドはTensorFlow GPUバージョン。それをpyenv仮想環境でセットアップする構成とした。[先日TensorFlow 1.0がリリース](https://research.googleblog.com/2017/02/announcing-tensorflow-10.html)されて`tf.keras`が実装されたみたいだけどまだ試してないので普通にKeras使うことにする。

環境構築についてはこちらを参考にさせていただいた。
[AWSのGPUインスタンスでTensorFlowを動かす](http://qiita.com/h860a/items/294262d98e1223008252)

# インスタンスの作成

EC2 Instance: クイックスタートにある Ubuntu Server 16.04 LTS (HVM), SSD Volume Type
Type : g2.2xlarge
ストレージなどはとりあえず標準構成(メモリ15GB, ストレージ8GB)

# セットアップ

まずはSSHでログインする

```
ssh -i ~/[ec2key].pem ubuntu@[Instance IP]
```

## エフェメラルストレージを作業ディレクトリにするためシンボリックリンクを作成する

CUDAとかけっこうでかいので作業の途中で空き容量が足りなくなる。/mnt/tmp/へのシンボリックリンクを作成してエフェメラルストレージを作業領域に使う。

```
sudo mkdir /mnt/tmp
sudo chmod 777 /mnt/tmp
sudo rm -rf /tmp
sudo ln -s /mnt/tmp /tmp
cd /tmp
```

## Ubuntuを最新にアップグレードする

```
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade -y
```

## ロケールを設定する

upgrade後ロケール関係のwarningが出てうざいので

```
sudo apt-get install language-pack-ja
sudo update-locale LANG=ja_JP.UTF-8
```

## セットアップに必要なモジュールをインストールする

```
sudo apt-get install python
sudo apt-get install -y build-essential python-pip python-dev git python-numpy swig python-dev default-jdk zip zlib1g-dev ipython
```

## NVIDIAドライバとの衝突をさけるため、Nouveauのブラックリストを追加する

```
echo -e "blacklist nouveau\nblacklist lbm-nouveau\noptions nouveau modeset=0\nalias nouveau off\nalias lbm-nouveau off\n" | sudo tee /etc/modprobe.d/blacklist-nouveau.conf
echo options nouveau modeset=0 | sudo tee -a /etc/modprobe.d/nouveau-kms.conf
sudo update-initramfs -u
sudo reboot
```

再起動後、ログインしてlinux-image-extra-virtualをインストールする。

```
ssh -i ~/[ec2key].pem ubuntu@[Instance IP]
sudo apt-get install -y linux-image-extra-virtual
sudo reboot
```

再起動後、ログインしてlinux-headersをインストールする。

```
ssh -i ~/[ec2key].pem ubuntu@[Instance IP]
sudo apt-get install -y linux-source linux-headers-`uname -r`
```

## CUDA Toolkit v8 をセットアップする

現時点での最新バージョンは 8.0。
ダウンロードしてインストールする

```
cd /tmp
wget https://developer.nvidia.com/compute/cuda/8.0/prod/local_installers/cuda_8.0.44_linux-run
chmod +x cuda_8.0.44_linux-run
./cuda_8.0.44_linux-run  -extract=`pwd`/nvidia_installers
cd nvidia_installers/
sudo ./NVIDIA-Linux-x86_64-367.48.run
# Acceptを選択する。kernelセットアップはプログレスバーが100%になってからしばらく時間がかかる
# OK を選択する
# OK を選択する
# Yes を選択する
# OK を選択する
```

```
sudo modprobe nvidia
sudo ./cuda-linux64-rel-8.0.44-21122537.run
# Readmeが表示されるので q で終了する
# accept と入力してエンター
# install Path: default
# shortcut?: default
```

## cuDNN をセットアップ

https://developer.nvidia.com/cudnn からcuDNNを一度ローカルにDownloadする
cuDNNはDeveloperサインアップしないと落とせないため。仕方がない。

ローカルのターミナルからダウンロードしたcuDNNをEC2インスタンスに転送する

```
scp -i [ec2key].pem cudnn-8.0-linux-x64-v5.1.tgz ubuntu@[Instance IP]:/tmp
```

EC2インスタンスにもどる

```
cd /tmp
tar -xzf cudnn-8.0-linux-x64-v5.1.tgz
sudo mv ./cuda/lib64/* /usr/local/cuda/lib64/
sudo mv ./cuda/include/* /usr/local/cuda/include/
```

`~/.bashrc`に以下を追記する

```.bashrc
# cuDNN
export LD_LIBRARY_PATH="$LD_LIBRARY_PATH:/usr/local/cuda/lib64"
export CUDA_HOME=/usr/local/cuda
```

```
source ~/.bashrc
```

## Python 仮想環境の構築

```
python -V
Python 2.7.12
```

```
sudo apt-get install git gcc make openssl libssl-dev libbz2-dev libreadline-dev libsqlite3-dev
git clone https://github.com/yyuu/pyenv.git ~/.pyenv
git clone https://github.com/yyuu/pyenv-virtualenv.git ~/.pyenv/plugins/pyenv-virtualenv
```

`~/.bash_profile`を作成して以下を記載する

```.bash_profile
# pyenv
export PYENV_ROOT=$HOME/.pyenv
export PATH=$PYENV_ROOT/bin:$PATH
eval "$(pyenv init -)"
# virtualenv
eval "$(pyenv virtualenv-init -)"
export PYENV_VIRTUALENV_DISABLE_PROMPT=1
```

```
source ~/.bash_profile
```

Keras用仮想環境をつくる

```
pyenv install 3.5.3
pyenv virtualenv 3.5.3 keras
pyenv activate keras
python -V
Python 3.5.3
```

## Tensorflowをインストールする

```
pip install tensorflow-gpu
```

TensorFlowのバージョンを確認してみて以下のようになってたらGPUが使えるようになっている。

```
python -c 'import tensorflow as tf; print(tf.__version__)'
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:135] successfully opened CUDA library libcublas.so.8.0 locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:135] successfully opened CUDA library libcudnn.so.5 locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:135] successfully opened CUDA library libcufft.so.8.0 locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:135] successfully opened CUDA library libcuda.so.1 locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:135] successfully opened CUDA library libcurand.so.8.0 locally
1.0.0
```

## Kerasをインストールする

```
pip install pillow
pip install h5py
pip install matplotlib
pip install keras
```

## keras examplesを実行してみる

```
cd /tmp
git clone https://github.com/fchollet/keras.git
cd keras/examples
```

とりあえずMNISTをCNNで解くやつを実行してみる

```
python mnist_cnn.py
Using TensorFlow backend.
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcublas.so locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcudnn.so locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcufft.so locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcuda.so.1 locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcurand.so locally
Downloading data from https://s3.amazonaws.com/img-datasets/mnist.pkl.gz
X_train shape: (60000, 28, 28, 1)
60000 train samples
10000 test samples
Train on 60000 samples, validate on 10000 samples
Epoch 1/12
I tensorflow/stream_executor/cuda/cuda_gpu_executor.cc:937] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:885] Found device 0 with properties: 
name: GRID K520
major: 3 minor: 0 memoryClockRate (GHz) 0.797
pciBusID 0000:00:03.0
Total memory: 3.94GiB
Free memory: 3.91GiB
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:906] DMA: 0 
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:916] 0:   Y 
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:975] Creating TensorFlow device (/gpu:0) -> (device: 0, name: GRID K520, pci bus id: 0000:00:03.0)
60000/60000 [==============================] - 13s - loss: 0.3770 - acc: 0.8839 - val_loss: 0.0932 - val_acc: 0.9709
Epoch 2/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.1363 - acc: 0.9603 - val_loss: 0.0632 - val_acc: 0.9801
Epoch 3/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.1064 - acc: 0.9687 - val_loss: 0.0509 - val_acc: 0.9835
Epoch 4/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.0900 - acc: 0.9736 - val_loss: 0.0443 - val_acc: 0.9857
Epoch 5/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.0769 - acc: 0.9775 - val_loss: 0.0405 - val_acc: 0.9865
Epoch 6/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.0689 - acc: 0.9795 - val_loss: 0.0371 - val_acc: 0.9870
Epoch 7/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.0649 - acc: 0.9803 - val_loss: 0.0361 - val_acc: 0.9881
Epoch 8/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.0594 - acc: 0.9823 - val_loss: 0.0356 - val_acc: 0.9886
Epoch 9/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.0547 - acc: 0.9841 - val_loss: 0.0321 - val_acc: 0.9889
Epoch 10/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.0525 - acc: 0.9841 - val_loss: 0.0320 - val_acc: 0.9889
Epoch 11/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.0506 - acc: 0.9850 - val_loss: 0.0323 - val_acc: 0.9892
Epoch 12/12
60000/60000 [==============================] - 11s - loss: 0.0471 - acc: 0.9856 - val_loss: 0.0314 - val_acc: 0.9897
Test score: 0.0314083654978
Test accuracy: 0.9897
```

実行時間は: 2:23 (データのダウンロード時間除く)。手持ちのMBAでは35分ほどかかったので10倍以上速い。
1epochあたり10秒くらいかよ。

調子に乗ってIMDBのLSTMという重たそうなやつもやってみた。

```
python imdb_cnn_lstm.py
Using TensorFlow backend.
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcublas.so locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcudnn.so locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcufft.so locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcuda.so.1 locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcurand.so locally
Loading data...
25000 train sequences
25000 test sequences
Pad sequences (samples x time)
X_train shape: (25000, 100)
X_test shape: (25000, 100)
Build model...
Train...
Train on 25000 samples, validate on 25000 samples
Epoch 1/2
I tensorflow/stream_executor/cuda/cuda_gpu_executor.cc:937] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:885] Found device 0 with properties: 
name: GRID K520
major: 3 minor: 0 memoryClockRate (GHz) 0.797
pciBusID 0000:00:03.0
Total memory: 3.94GiB
Free memory: 3.91GiB
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:906] DMA: 0 
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:916] 0:   Y 
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:975] Creating TensorFlow device (/gpu:0) -> (device: 0, name: GRID K520, pci bus id: 0000:00:03.0)
   30/25000 [..............................] - ETA: 1397s - loss: 0.6936 - acc: 0.4333I tensorflow/core/common_runtime/gpu/pool_allocator.cc:247] PoolAllocator: After 3811 get requests, put_count=2890 evicted_count=1000 eviction_rate=0.346021 and unsatisfied allocation rate=0.530307
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/pool_allocator.cc:259] Raising pool_size_limit_ from 100 to 110
  360/25000 [..............................] - ETA: 160s - loss: 0.6935 - acc: 0.4833I tensorflow/core/common_runtime/gpu/pool_allocator.cc:247] PoolAllocator: After 2156 get requests, put_count=2374 evicted_count=1000 eviction_rate=0.42123 and unsatisfied allocation rate=0.373377
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/pool_allocator.cc:259] Raising pool_size_limit_ from 256 to 281
  870/25000 [>.............................] - ETA: 94s - loss: 0.6925 - acc: 0.5287I tensorflow/core/common_runtime/gpu/pool_allocator.cc:247] PoolAllocator: After 4249 get requests, put_count=4491 evicted_count=1000 eviction_rate=0.222668 and unsatisfied allocation rate=0.192281
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/pool_allocator.cc:259] Raising pool_size_limit_ from 655 to 720
25000/25000 [==============================] - 63s - loss: 0.3815 - acc: 0.8210 - val_loss: 0.3519 - val_acc: 0.8456
Epoch 2/2
25000/25000 [==============================] - 60s - loss: 0.1970 - acc: 0.9238 - val_loss: 0.3471 - val_acc: 0.8534
24990/25000 [============================>.] - ETA: 0sTest score: 0.347144101623
Test accuracy: 0.853440059948
```

実行時間: 2:25 (データのダウンロード時間除く)。MBAでこれも40分以上かかったやつなので圧倒的。

さらに調子に乗ってもっと重たそうなやつをやってみる。`mnist_acgan.py`はMNISTをACGAN(Auxiliary Classifier Generative Adversarial Network)というやつで解くみたい。DCGANの親戚か？詳しくは[ここ](https://arxiv.org/abs/1610.09585)に載ってるみたいだけど難しいので後回しにする。
とりあえずGANなので重いだろう。どんなもんだろうか。

```
python mnist_acgan.py
Using TensorFlow backend.
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcublas.so locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcudnn.so locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcufft.so locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcuda.so.1 locally
I tensorflow/stream_executor/dso_loader.cc:128] successfully opened CUDA library libcurand.so locally
Epoch 1 of 50
  0/600 [..............................] - ETA: 0sI tensorflow/stream_executor/cuda/cuda_gpu_executor.cc:937] successful NUMA node read from SysFS had negative value (-1), but there must be at least one NUMA node, so returning NUMA node zero
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:885] Found device 0 with properties: 
name: GRID K520
major: 3 minor: 0 memoryClockRate (GHz) 0.797
pciBusID 0000:00:03.0
Total memory: 3.94GiB
Free memory: 3.91GiB
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:906] DMA: 0 
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:916] 0:   Y 
I tensorflow/core/common_runtime/gpu/gpu_device.cc:975] Creating TensorFlow device (/gpu:0) -> (device: 0, name: GRID K520, pci bus id: 0000:00:03.0)
W tensorflow/core/common_runtime/bfc_allocator.cc:217] Ran out of memory trying to allocate 3.74GiB. The caller indicates that this is not a failure, but may mean that there could be performance gains if more memory is available.
599/600 [============================>.] - ETA: 1s   
Testing for epoch 1:
component              | loss | generation_loss | auxiliary_loss
-----------------------------------------------------------------
generator (train)      | 3.88 | 1.49            | 2.39 
generator (test)       | 3.36 | 1.04            | 2.32 
discriminator (train)  | 2.11 | 0.53            | 1.58 
discriminator (test)   | 2.12 | 0.70            | 1.43 
Epoch 2 of 50
 44/600 [=>............................] - ETA: 732s
```

1epoch終わるのに 15分ほどかかった。あと48epochある。。果てしないしお金かかるので途中でやめた。まあでも半日回せば結果出そう。すごいな。

# 作業後のディスク空き状況

```
df -k
Filesystem     1K-blocks    Used Available Use% Mounted on
udev             7679880       0   7679880   0% /dev
tmpfs            1539900    8800   1531100   1% /run
/dev/xvda1       8117828 6149060   1533492  81% /
tmpfs            7699496       0   7699496   0% /dev/shm
tmpfs               5120       0      5120   0% /run/lock
tmpfs            7699496       0   7699496   0% /sys/fs/cgroup
/dev/xvdb       66946696 3017852  60521484   5% /mnt
tmpfs            1539904       0   1539904   0% /run/user/1000
```

システムディスクの使用量は81%。エフェメラルストレージはインスタンスがstopすると揮発するのでデフォルトの8GBが不安ならストレージ要領を拡張しとくとよい。


# AMIにしてからg2.xlargeインスタンスを作成してみたらエラーになる

構築できたインスタンスのスナップショットをとって、AMIからg2.xlargeインスタンスを作成してみた。ちゃんと動くか試行。

```
pyenv activate keras
python -V
 Python 3.5.3
python -c 'import tensorflow as tf; print(tf.__version__)'
Traceback (most recent call last):
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/keras/lib/python3.5/site-packages/tensorflow/python/__init__.py", line 61, in <module>
    from tensorflow.python import pywrap_tensorflow
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/keras/lib/python3.5/site-packages/tensorflow/python/pywrap_tensorflow.py", line 28, in <module>
    _pywrap_tensorflow = swig_import_helper()
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/keras/lib/python3.5/site-packages/tensorflow/python/pywrap_tensorflow.py", line 24, in swig_import_helper
    _mod = imp.load_module('_pywrap_tensorflow', fp, pathname, description)
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/3.5.3/lib/python3.5/imp.py", line 242, in load_module
    return load_dynamic(name, filename, file)
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/3.5.3/lib/python3.5/imp.py", line 342, in load_dynamic
    return _load(spec)
ImportError: libcudart.so.8.0: cannot open shared object file: No such file or directory

During handling of the above exception, another exception occurred:

Traceback (most recent call last):
  File "<string>", line 1, in <module>
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/keras/lib/python3.5/site-packages/tensorflow/__init__.py", line 24, in <module>
    from tensorflow.python import *
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/keras/lib/python3.5/site-packages/tensorflow/python/__init__.py", line 72, in <module>
    raise ImportError(msg)
ImportError: Traceback (most recent call last):
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/keras/lib/python3.5/site-packages/tensorflow/python/__init__.py", line 61, in <module>
    from tensorflow.python import pywrap_tensorflow
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/keras/lib/python3.5/site-packages/tensorflow/python/pywrap_tensorflow.py", line 28, in <module>
    _pywrap_tensorflow = swig_import_helper()
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/keras/lib/python3.5/site-packages/tensorflow/python/pywrap_tensorflow.py", line 24, in swig_import_helper
    _mod = imp.load_module('_pywrap_tensorflow', fp, pathname, description)
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/3.5.3/lib/python3.5/imp.py", line 242, in load_module
    return load_dynamic(name, filename, file)
  File "/home/ubuntu/.pyenv/versions/3.5.3/lib/python3.5/imp.py", line 342, in load_dynamic
    return _load(spec)
ImportError: libcudart.so.8.0: cannot open shared object file: No such file or directory


Failed to load the native TensorFlow runtime.

See https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/master/tensorflow/g3doc/get_started/os_setup.md#import_error

for some common reasons and solutions.  Include the entire stack trace
above this error message when asking for help.
```

TensorFlowがエラーを吐く。よくわからないけどCUDA関係か？
AMI化ができるかどうかはあとで検討が必要かも。断続的に使う場合はインスタンスをstopして置いとくのがいいかもしれない。

# まとめ

上記Kerasの環境構築までは一時間以内でできる。インスタンスstopして置いとくのもいいけど、使いたい時にサラから構築してもそんなに手間ではない。
使用頻度とかケースに応じて考えるのがいいだろう。つーかTensorFlow GPUの環境構築以前と比べてめっちゃ楽になったな。