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pytorch-lightning

pytorch-lightning

github.com/orchestra-research開発14.1k983 回インストール20 週間前に更新
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pytorch-lightning について

PyTorchの学習コードを整理し、一般的な学習ループの処理を自動化するPyTorch Lightningのスキルガイドです。デバイスや分散戦略をまたぐ学習に取り組む研究者や開発者向けです。

主な機能

  1. 01LightningModuleによるコード整理
  2. 02CPU、GPU、TPUでの学習
  3. 03DDP、FSDP、DeepSpeedによる分散学習
  4. 04混合精度と勾配蓄積
  5. 05チェックポイントと監視用コールバック

活用シーン

  1. 01PyTorchの学習ループのリファクタリング
  2. 02単一GPUから分散学習への移行
  3. 03検証とメトリクス記録の追加
  4. 04上位チェックポイントの保存と早期停止

インストール

コマンドをコピーしてターミナルで実行します。

$npx skills add https://github.com/orchestra-research/ai-research-skills --skill pytorch-lightning

インストール後、Claude Code で/pytorch-lightningを入力して読み込まれたか確認します。

同梱ファイル

SKILL.md と一緒にインストールされる参考資料やスクリプト。

references/
callbacks.md
distributed.md
hyperparameter-tuning.md

詳細

PyTorch Lightning - 高水準トレーニングフレームワーク

クイックスタート

PyTorch Lightning は、柔軟性を保ちながら定型コードを排除するように PyTorch コードを整理します。

インストール:

pip install lightning

PyTorch を Lightning に変換(3 ステップ):

import lightning as L
import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader, Dataset

# Step 1: Define LightningModule (organize your PyTorch code)
class LitModel(L.LightningModule):
    def __init__(self, hidden_size=128):
        super().__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(28 * 28, hidden_size),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(hidden_size, 10)
        )

    def training_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        y_hat = self.model(x)
        loss = nn.functional.cross_entropy(y_hat, y)
        self.log('train_loss', loss)  # Auto-logged to TensorBoard
        return loss

    def configure_optimizers(self):
        return torch.optim.Adam(self.parameters(), lr=1e-3)

# Step 2: Create data
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=32)

# Step 3: Train with Trainer (handles everything else!)
trainer = L.Trainer(max_epochs=10, accelerator='gpu', devices=2)
model = LitModel()
trainer.fit(model, train_loader)

これだけです! Trainer が以下を処理します:

  • GPU/TPU/CPU の切り替え
  • 分散トレーニング(DDP、FSDP、DeepSpeed)
  • 混合精度(FP16、BF16)
  • 勾配累積
  • チェックポイント
  • ロギング
  • プログレスバー

一般的なワークフロー

ワークフロー 1: PyTorch から Lightning へ

元の PyTorch コード:

model = MyModel()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters())
model.to('cuda')

for epoch in range(max_epochs):
    for batch in train_loader:
        batch = batch.to('cuda')
        optimizer.zero_grad()
        loss = model(batch)
        loss.backward()
        optimizer.step()

Lightning 版:

class LitModel(L.LightningModule):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.model = MyModel()

    def training_step(self, batch, batch_idx):
        loss = self.model(batch)  # No .to('cuda') needed!
        return loss

    def configure_optimizers(self):
        return torch.optim.Adam(self.parameters())

# Train
trainer = L.Trainer(max_epochs=10, accelerator='gpu')
trainer.fit(LitModel(), train_loader)

利点: 40 行以上 → 15 行、デバイス管理が不要、自動的な分散処理

ワークフロー 2: 検証とテスト
class LitModel(L.LightningModule):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.model = MyModel()

    def training_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        y_hat = self.model(x)
        loss = nn.functional.cross_entropy(y_hat, y)
        self.log('train_loss', loss)
        return loss

    def validation_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        y_hat = self.model(x)
        val_loss = nn.functional.cross_entropy(y_hat, y)
        acc = (y_hat.argmax(dim=1) == y).float().mean()
        self.log('val_loss', val_loss)
        self.log('val_acc', acc)

    def test_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        y_hat = self.model(x)
        test_loss = nn.functional.cross_entropy(y_hat, y)
        self.log('test_loss', test_loss)

    def configure_optimizers(self):
        return torch.optim.Adam(self.parameters(), lr=1e-3)

# Train with validation
trainer = L.Trainer(max_epochs=10)
trainer.fit(model, train_loader, val_loader)

# Test
trainer.test(model, test_loader)

自動的に行われる機能:

  • デフォルトでは検証がエポックごとに実行されます
  • メトリクスは TensorBoard に記録されます
  • val_loss に基づいて最良のモデルをチェックポイントとして保存します
ワークフロー 3: 分散トレーニング(DDP)
# Same code as single GPU!
model = LitModel()

# 8 GPUs with DDP (automatic!)
trainer = L.Trainer(
    accelerator='gpu',
    devices=8,
    strategy='ddp'  # Or 'fsdp', 'deepspeed'
)

trainer.fit(model, train_loader)

起動:

# Single command, Lightning handles the rest
python train.py

変更は不要:

  • データの自動分散
  • 勾配の同期
  • マルチノードのサポート(num_nodes=2 を設定するだけです)
ワークフロー 4: 監視のためのコールバック
from lightning.pytorch.callbacks import ModelCheckpoint, EarlyStopping, LearningRateMonitor

# Create callbacks
checkpoint = ModelCheckpoint(
    monitor='val_loss',
    mode='min',
    save_top_k=3,
    filename='model-{epoch:02d}-{val_loss:.2f}'
)

early_stop = EarlyStopping(
    monitor='val_loss',
    patience=5,
    mode='min'
)

lr_monitor = LearningRateMonitor(logging_interval='epoch')

# Add to Trainer
trainer = L.Trainer(
    max_epochs=100,
    callbacks=[checkpoint, early_stop, lr_monitor]
)

trainer.fit(model, train_loader, val_loader)

結果:

  • 最良の 3 つのモデルを自動保存します
  • 5 エポック改善がない場合は早期に停止します
  • 学習率を TensorBoard に記録します
ワークフロー 5: 学習率スケジューリング
class LitModel(L.LightningModule):
    # ... (training_step, etc.)

    def configure_optimizers(self):
        optimizer = torch.optim.Adam(self.parameters(), lr=1e-3)

        # Cosine annealing
        scheduler = torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(
            optimizer,
            T_max=100,
            eta_min=1e-5
        )

        return {
            'optimizer': optimizer,
            'lr_scheduler': {
                'scheduler': scheduler,
                'interval': 'epoch',  # Update per epoch
                'frequency': 1
            }
        }

# Learning rate auto-logged!
trainer = L.Trainer(max_epochs=100)
trainer.fit(model, train_loader)

使うべき場面と代替手段

PyTorch Lightning を使うべき場合:

  • 整理されたクリーンなコードが欲しい
  • 本番環境に対応したトレーニングループが必要
  • シングル GPU、マルチ GPU、TPU を切り替えて使いたい
  • 組み込みのコールバックとロギングが欲しい
  • チームでの協業(標準化された構造)

主な利点:

  • 整理されている: 研究用コードとエンジニアリングを分離します
  • 自動化: DDP、FSDP、DeepSpeed を 1 行で利用できます
  • コールバック: モジュール化されたトレーニングの拡張機能
  • 再現性: 定型コードが少ないほどバグも少なくなります
  • 実績: 月間 100 万以上のダウンロード、実戦で検証済み

代わりに使うべきもの:

  • Accelerate: 既存コードへの変更は最小限で、柔軟性が高い
  • Ray Train: マルチノードのオーケストレーション、ハイパーパラメータチューニング
  • 素の PyTorch: 最大限の制御、学習目的
  • Keras: TensorFlow エコシステム

よくある問題

問題: 損失が減少しない

データとモデルの設定を確認してください:

# Add to training_step
def training_step(self, batch, batch_idx):
    if batch_idx == 0:
        print(f"Batch shape: {batch[0].shape}")
        print(f"Labels: {batch[1]}")
    loss = ...
    return loss

問題: メモリ不足(Out of memory)

バッチサイズを減らすか、勾配累積を使用してください:

trainer = L.Trainer(
    accumulate_grad_batches=4,  # Effective batch = batch_size × 4
    precision='bf16'  # Or 'fp16', reduces memory 50%
)

問題: 検証が実行されない

val_loader を渡していることを確認してください:

# WRONG
trainer.fit(model, train_loader)

# CORRECT
trainer.fit(model, train_loader, val_loader)

問題: DDP が予期せず複数のプロセスを起動する

Lightning は GPU を自動検出します。devices を明示的に設定してください:

# Test on CPU first
trainer = L.Trainer(accelerator='cpu', devices=1)

# Then GPU
trainer = L.Trainer(accelerator='gpu', devices=1)

応用トピック

コールバック: EarlyStopping、ModelCheckpoint、カスタムコールバック、コールバックフックについては references/callbacks.md を参照してください。

分散戦略: DDP、FSDP、DeepSpeed ZeRO の統合、マルチノードのセットアップについては references/distributed.md を参照してください。

ハイパーパラメータチューニング: Optuna、Ray Tune、WandB sweeps との統合については references/hyperparameter-tuning.md を参照してください。

ハードウェア要件

  • CPU: 動作します(デバッグに適しています)
  • シングル GPU: 動作します
  • マルチ GPU: DDP(デフォルト)、FSDP、または DeepSpeed
  • マルチノード: DDP、FSDP、DeepSpeed
  • TPU: サポート(8 コア)
  • Apple MPS: サポート

精度オプション:

  • FP32(デフォルト)
  • FP16(V100、旧世代の GPU)
  • BF16(A100/H100、推奨)
  • FP8(H100)

リソース

コメント