PyTorch

• C++ — компилируемый, статически типизированный язык программирования общего назначения.
• ABI — набор соглашений для доступа приложения к операционной системе и другим низкоуровневым сервисам, спроектированный для переносимости исполняемого кода между машинами, имеющими совместимые ABI.
• NumPy — библиотека для языка программирования Python, обеспечивающая поддержку больших многомерных массивов и матриц, а также обширный набор математических функций для операций над этими массивами.

В 2001 году библиотека Torch была написана и выпущена под лицензией GPL. Это была библиотека для машинного обучения на C++, поддерживавшая методы, включая нейронные сети, метод опорных векторов (SVM), скрытые марковские модели и др.^[17][18][19] В 2012 году вышла улучшенная версия Torch7. Разработка Torch прекратилась в 2018 году и была поглощена проектом PyTorch^[20].

Компания Meta (ранее — Facebook) занималась разработкой как PyTorch, так и Convolutional Architecture for Fast Feature Embedding (Caffe2), но модели, создаваемые этими фреймворками, были несовместимы друг с другом. Для решения этой проблемы в сентябре 2017 года Meta и Microsoft представили проект Open Neural Network Exchange (ONNX), обеспечивающий переносимость моделей между фреймворками. В конце марта 2018 года Caffe2 был объединён с PyTorch^[21]. В сентябре 2022 года Meta^[22] объявила, что дальнейшее развитие PyTorch будет курировать независимый Фонд PyTorch, организованный как дочерняя структура Linux Foundation^[23].

PyTorch 2.0 вышла 15 марта 2023 года. Одним из ключевых нововведений стала технология TorchDynamo — компилятор на уровне Python, ускоряющий выполнение кода до 2 раз^[24][25]. В этой же версии была представлена функция torch.nn.functional.scaled_dot_product_attention (SDPA) — высокопроизводительная реализация механизма внимания для ускорения моделей-трансформеров^[26].

Дальнейшее развитие было направлено на улучшение производительности и расширение возможностей компилятора. В версии 2.1 (2023) была представлена функция torch.export для захвата графа модели^[27]. В версии 2.2 (2024) в SDPA была интегрирована библиотека FlashAttention-v2, что значительно ускорило её работу^[28], а версия 2.3 (2024) добавила поддержку пользовательских ядер Triton внутри torch.compile^[29].

15 октября 2025 года вышла версия 2.9.0, в которой был представлен стабильный ABI для библиотеки libtorch и технология Symmetric Memory для упрощения программирования на нескольких GPU^[30]. 12 ноября того же года последовал корректирующий выпуск 2.9.1 для исправления ошибок^[31].

Архитектура PyTorch имеет двухуровневую структуру: на верхнем уровне находится основной интерфейс (API) на языке Python, а ядром библиотеки является высокопроизводительный бэкенд, написанный на C++^[32][33]. Взаимодействие между Python-интерфейсом и C++ бэкендом осуществляется через специальные привязки (bindings)^[34].

Бэкенд выполняет все основные вычисления и состоит из нескольких ключевых компонентов^[32]:

• ATen — библиотека на C++, которая является ядром для всех тензорных вычислений^[35].
• Autograd — система автоматического дифференцирования, которая вычисляет градиенты, необходимые для обучения моделей^[35].
• LibTorch — полноценный C++ интерфейс, позволяющий определять, обучать и развёртывать модели без использования Python^[32].
• Диспетчер операторов (Operator Dispatcher) — механизм, который вызывает конкретную реализацию операции в зависимости от устройства (CPU, GPU) и типа данных, что обеспечивает расширяемость для поддержки нового оборудования^[34].

Одной из ключевых особенностей архитектуры PyTorch является использование динамического вычислительного графа, также известного как «определение по ходу выполнения» (define-by-run)^[35][36]. В отличие от фреймворков со статическими графами, где граф вычислений определяется и компилируется до запуска, в PyTorch он строится «на лету» в процессе выполнения кода^[33]. Такой подход обеспечивает большую гибкость и значительно упрощает отладку моделей^[33].

Основной тип данных в PyTorch — это Tensor (torch.Tensor), предназначенный для хранения и обработки однородных многомерных прямоугольных массивов чисел. Тензоры PyTorch схожи с массивами NumPy, но могут обрабатываться с использованием GPU, совместимого с CUDA, например, NVIDIA^[37], а также поддерживается интеграция с платформами AMD по технологии ROCm и с Metal Framework от Apple^[38]. Ядром для этих тензорных вычислений является C++ библиотека ATen.

PyTorch поддерживает различные подтипы тензоров^[39].

Отметим, что термин «тензор» здесь отличается от используемого в математике или физике — в машинном обучении так обозначают многомерные массивы.

PyTorch предоставляет модуль nn (torch.nn) для описания и обучения нейронных сетей. Модуль содержит широкий набор строительных блоков, включая различные слои и функции активации, позволяя создавать сложные модели. Нейросети определяются как классы, унаследованные от torch.nn.Module, а последовательность операций задаётся в методе forward().

Начиная с версии 2.0, в модуль были добавлены значительные улучшения для повышения производительности. Ключевым нововведением стала функция torch.nn.functional.scaled_dot_product_attention (SDPA) — высокопроизводительная реализация механизма внимания для ускорения моделей-трансформеров. В версии 2.2 её производительность была дополнительно увеличена за счёт интеграции с библиотекой FlashAttention-v2. Другие нововведения включают поддержку полуструктурированной разреженности (2:4) для ускорения моделей на графических процессорах NVIDIA и функцию torch.export для захвата графа модели с целью дальнейшей оптимизации и развёртывания.

PyTorch предлагает несколько способов сохранения и загрузки моделей, предназначенных для различных сценариев, таких как возобновление обучения, перенос весов или развёртывание в производственной среде. Основные подходы включают использование словаря состояний (state_dict), формата TorchScript и открытого стандарта ONNX.

Словарь состояний (state_dict) — это наиболее распространённый и рекомендуемый способ сохранения модели^[40]. Он представляет собой объект словаря в Python, который содержит только обучаемые параметры модели (веса и смещения), но не её архитектуру. Такой подход обеспечивает гибкость, так как для загрузки весов достаточно иметь класс модели, совместимый по архитектуре^[41]. Файлы с параметрами обычно имеют расширения .pth или .pt^[42]. Внутренне для сериализации используется модуль pickle, а начиная с версии 1.6 по умолчанию применяется формат на основе ZIP-архива^[43]. Помимо параметров модели, для возобновления обучения часто сохраняют «контрольные точки» (checkpoints), которые также включают состояние оптимизатора и номер эпохи; для таких файлов принято использовать расширение .tar^[40].

TorchScript — это формат, который позволяет сериализовать модель PyTorch в статическое представление графа вычислений. Это делает модель независимой от среды Python и позволяет выполнять её в других окружениях, например, на C++ или на мобильных устройствах^[44]. Модель, сохранённая как TorchScript, представляет собой единый файл (обычно с расширением .pt), содержащий как архитектуру, так и веса, что делает его полностью автономным^[44].

ONNX (Open Neural Network Exchange) — это открытый стандарт, предназначенный для обеспечения совместимости моделей между различными фреймворками машинного обучения. PyTorch позволяет экспортировать модель в формат .onnx^[45]. Это даёт возможность использовать обученную модель в других средах, оптимизированных для инференса, таких как TensorFlow, ONNX Runtime или TensorRT^[46].

Разработка PyTorch ведётся под эгидой PyTorch Foundation и фокусируется на повышении производительности, расширении аппаратной поддержки и развитии экосистемы для ИИ^[47]. Команда разработчиков из Meta регулярно публикует дорожные карты (roadmaps), в которых описываются планы на ближайшие полгода^[48][49]. Ключевые направления включают улучшение компилятора `torch.compile`, поддержку распределённого обучения и развёртывания моделей на конечных устройствах (Edge), а также интеграцию с новым оборудованием, таким как GPU от NVIDIA (CUDA), AMD (ROCm) и Intel (XPU).

Цикл выпуска новых версий PyTorch включает несколько этапов. Разработка ведётся непрерывно, и самые последние изменения доступны в ночных сборках (Nightly Builds), которые генерируются ежедневно, но не являются стабильными^[50]. Перед выпуском новой минорной версии создаётся отдельная ветка релиза, в которой формируется серия версий-кандидатов (Release Candidates, RC)^[51]. Они предназначены для тестирования и исправления ошибок перед финальным выпуском и доступны в тестовых репозиториях^[51]. После стабилизации выходит стабильный релиз (Stable), который рекомендуется для производственного использования. Впоследствии для него могут выпускаться корректирующие выпуски (patch releases) для исправления критических ошибок^[51].

Начиная с версии 2.8, была введена упрощённая система классификации API, заменившая предыдущие категории «Prototype», «Beta» и «Stable»^[52][53]. Новая система делит функции на два типа:

• Stable — API функции является стабильным, и для него гарантируется обратная совместимость.
• Unstable — API функции находится в активной разработке и может измениться. Эта категория объединяет то, что ранее называлось «Prototype» и «Beta»^[53].

Несмотря на это, в примечаниях к выпускам отдельные экспериментальные функции, включённые в стабильный релиз, всё ещё могут помечаться как «BETA FEATURES»^[54].

Ниже приведён простой пример работы с тензорами:

import torch
dtype = torch.float
device = torch.device("cpu")  # Все вычисления выполняются на CPU
# device = torch.device("cuda:0")  # Все вычисления выполняются на GPU

# Создать тензор со случайными числами
a = torch.randn(2, 3, device=device, dtype=dtype)
print(a)
# Вывод: tensor([[-1.1884,  0.8498, -1.7129],
#                [-0.8816,  0.1944,  0.5847]])

b = torch.randn(2, 3, device=device, dtype=dtype)
print(b)
# Вывод: tensor([[ 0.7178, -0.8453, -1.3403],
#                [ 1.3262,  1.1512, -1.7070]])

print(a * b)
# Вывод: tensor([[-0.8530, -0.7183,  2.58],
#                [-1.1692,  0.2238, -0.9981]])

print(a.sum()) 
# Вывод: tensor(-2.1540)

print(a[1, 2])  # Элемент в третьем столбце второй строки (с нуля)
# Вывод: tensor(0.5847)

print(a.max())
# Вывод: tensor(0.8498)

Следующий пример задаёт простую нейронную сеть на основе линейных слоёв с использованием модуля nn:

from torch import nn  # Импорт модуля nn из PyTorch

class NeuralNetwork(nn.Module):  # Сеть определяется как класс
    def __init__(self):  # Слои и переменные описываются в __init__
        super().__init__()           # Необходимый вызов суперкласса
        self.flatten = nn.Flatten()  # Слой выпрямления
        self.linear_relu_stack = nn.Sequential(  # «Стек» слоёв
            nn.Linear(28 * 28, 512),  # Линейные слои с входом/выходом указанной размерности
            nn.ReLU(),                # ReLU — одна из функций активации
            nn.Linear(512, 512),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(512, 10), 
        )

    def forward(self, x):  # Прямой проход (forward)
        x = self.flatten(x)
        logits = self.linear_relu_stack(x)
        return logits