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Pythonで始めるTensorFlow vs PyTorchを比較【違いと選び方】

Pythonで深層学習を始めるとき、まず悩むのがTensorFlowとPyTorchのどちらを選ぶかという点です。

どちらも世界中で使われている強力なフレームワークですが、思想や書き味、得意分野が少しずつ異なります。

本記事では、Pythonユーザーの視点からこの2つを徹底比較し、違いと選び方、学び方のロードマップまで詳しく解説します。

Pythonで始めるTensorFlowとPyTorchの基礎

Pythonで使う深層学習フレームワークとは

深層学習フレームワークとは、ニューラルネットワークの計算や学習処理を自動化・高速化するためのライブラリ群のことです

Pythonで機械学習やAI開発を行う際、ほとんどの場合この種のフレームワークを利用します。

なぜフレームワークが必要なのかというと、ディープラーニングは膨大な行列計算や微分計算(誤差逆伝播)を伴うため、すべてを手書きで実装すると極めて煩雑で、かつ高速なGPU計算の活用も困難だからです。

フレームワークは以下のような機能をまとめて提供してくれます。

  • GPUを使った高速な数値計算
  • 自動微分(自動で勾配を計算してくれる仕組み)
  • レイヤーや損失関数、最適化アルゴリズムなどの部品群
  • モデルの保存・読み込み、推論用API

Pythonでよく使われる代表的な深層学習フレームワークとして、TensorFlowPyTorchが2大勢力として広く認知されています。

Pythonと深層学習の関係

Pythonは文法がシンプルで、数値計算やデータ処理のためのライブラリも豊富です。

そのため、深層学習の分野ではPythonが事実上の標準言語となっています。

TensorFlowもPyTorchも、内部ではC++やCUDAといった低レベル言語で高速な処理を行いながら、外側のインターフェースはPythonから扱いやすいように設計されています。

この構造のおかげで、Pythonユーザーは複雑な最適化やGPU制御を意識せずに、モデルの設計と実験に集中できます。

TensorFlowとは

TensorFlowは、Googleが中心となって開発しているオープンソースの深層学習フレームワークです。

2015年に公開されて以来、研究・産業の両面で多くのプロジェクトに採用されてきました。

TensorFlowの大きな特徴は、「大規模・本番運用」を強く意識した設計と豊富な周辺ツール群です

代表的な特徴を文章で整理すると、次のようになります。

  • 産業利用や本番運用を意識したスケーラビリティ
  • TensorFlow ServingやTensorFlow Liteなど、推論・モバイル展開の専用ツール
  • Kerasによる高レベルなモデル構築API
  • グラフ最適化とXLAコンパイラなどによる高速化機能

とくにTensorFlow 2.xになってからは、「Eager Execution(即時実行)」が標準となり、だいぶPythonらしい書き方になりました。

TensorFlowの位置付け

TensorFlowは、研究用途でも使われていますが、特に以下のような場面で強みを発揮しやすいです。

  • 大規模な分散学習が必要なプロジェクト
  • 企業内での長期運用を前提としたAIシステム
  • モバイル・組み込み・ブラウザ上での推論(例: TensorFlow Lite, TensorFlow.js)

これらの用途に向けたエコシステムが揃っているため、「実験から本番までを一貫してTensorFlowで」という構成を取りやすい点が特徴的です。

PyTorchとは

PyTorchは、Meta(Facebook)が中心になって開発している深層学習フレームワークで、2016年頃から急速に人気を伸ばしました。

研究者や大学・論文界隈での採用率が非常に高いのが特徴です。

PyTorchの最大の特徴は、「Pythonにとても近い書き味」と「動的な計算グラフ」です

Pythonの通常のコードフローに自然に溶け込み、デバッグや試行錯誤がしやすいため、多くの研究者がPyTorchを好んで利用しています。

PyTorchの代表的な性質として、次のようなものがあります。

  • Pythonicなインターフェースとクラス設計
  • 動的計算グラフ(define-by-run)による柔軟なモデル構築
  • 研究用途・論文実装での国内外の豊富なサンプル
  • TorchScriptやONNXなどを通じた本番環境への展開機能

PyTorchの位置付け

PyTorchは特に以下のようなケースに向いています。

  • 新しいモデル構造やアルゴリズムの研究開発
  • 頻繁にモデル構造を変更しながら実験を回すプロジェクト
  • Python中心のチームで、コードの読みやすさとデバッグ性を重視する開発

近年では、研究だけでなく本番運用にも十分使われるようになっており、TorchServeやONNX Runtimeと組み合わせることで、サービスとしての展開も増えてきています。

TensorFlow vs PyTorchの違い

実装スタイルの違い

TensorFlowとPyTorchの違いとして、まず押さえておきたいのが「実装スタイル(計算グラフの扱い方)」です。

TensorFlow 1.xは「静的グラフ(define-and-run)」が前提で、あらかじめ計算グラフを定義してから実行するスタイルでした。

一方PyTorchは、最初から動的グラフ(define-by-run)を採用し、Pythonコードの実行にあわせてグラフが構築される仕組みを採っています。

TensorFlow 2.xではEager Executionが標準となったことで、実装スタイルはPyTorchにかなり近づきました。

ただし、高性能なグラフ最適化を行いたい場合には@tf.functionでグラフ化する、という2段構えの構造を持っている点は依然としてTensorFlowらしい部分です。

実装スタイルが与える影響

実装スタイルの違いは、次のようなポイントに影響します。

  • if分岐やループを使った複雑なモデルロジックの書きやすさ
  • デバッグ時にスタックトレースを追いやすいかどうか
  • コンパイルや最適化による高速化のしやすさ

PyTorchは常にPythonコードに近い動作をするため、条件分岐やループを使った柔軟なモデル構造を自然な形で記述できます。

TensorFlowもEager Executionでは同様に扱えますが、グラフ化したときにはPythonの制御構文とは異なる専用のtf.condtf.while_loopが必要になる場面があります。

コードの書きやすさとデバッグのしやすさ

Pythonユーザーにとっては、「どれだけPythonらしく書けるか」「エラー時に原因が追いやすいか」は非常に重要なポイントです。

ここでは、ごく簡単な線形回帰モデルをTensorFlow(Keras)とPyTorchでそれぞれ実装して、書き味の違いをイメージしてみます。

TensorFlow(Keras)での簡単な例

Python
import tensorflow as tf
import numpy as np

# ダミーデータの作成
# y = 3x + 1 にノイズを加えたデータを作る
x = np.random.rand(100, 1).astype("float32")
y = 3 * x + 1 + np.random.randn(100, 1).astype("float32") * 0.1

# シンプルな線形モデルを定義
model = tf.keras.Sequential([
    tf.keras.layers.Dense(1, input_shape=(1,))
])

# モデルのコンパイル(最適化手法と損失関数を指定)
model.compile(optimizer="sgd", loss="mse")

# 学習の実行
model.fit(x, y, epochs=50, verbose=0)

# 学習後のパラメータ確認
w, b = model.layers[0].get_weights()
print("学習された重み:", w, "バイアス:", b)

# 予測
test_x = np.array([[0.5]], dtype="float32")
pred_y = model.predict(test_x)
print("x=0.5 のときの予測値:", pred_y)
実行結果
学習された重み: [[2.98]] バイアス: [1.02]
1/1 [==============================] - 0s 30ms/step
x=0.5 のときの予測値: [[2.51]]

Kerasでは、モデル構築・コンパイル・学習という流れが明確に分かれており、高レベルなAPIで少ないコード量にまとまります。

PyTorchでの同様の例

Python
import torch
from torch import nn

# ダミーデータの作成
# y = 3x + 1 にノイズを加えたデータを作る
x = torch.rand(100, 1)
y = 3 * x + 1 + torch.randn(100, 1) * 0.1

# 線形モデルの定義(nn.Module を継承するのが基本スタイル)
class LinearModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.linear = nn.Linear(1, 1)  # 入力1次元、出力1次元

    def forward(self, x):
        return self.linear(x)

model = LinearModel()

# 損失関数と最適化手法を定義
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.1)

# 学習ループ
for epoch in range(50):
    # 順伝播
    pred = model(x)

    # 損失計算
    loss = criterion(pred, y)

    # 勾配の初期化
    optimizer.zero_grad()
    # 逆伝播
    loss.backward()
    # パラメータ更新
    optimizer.step()

# 学習されたパラメータを確認
for name, param in model.named_parameters():
    print(name, param.data)

# 予測
test_x = torch.tensor([[0.5]])
pred_y = model(test_x)
print("x=0.5 のときの予測値:", pred_y.item())
実行結果
linear.weight tensor([[2.97]])
linear.bias tensor([1.01])
x=0.5 のときの予測値: 2.495

PyTorchでは、学習ループを自分で書くのが基本で、その分プロセスが明示的です。

勾配の計算タイミングやパラメータ更新の流れを細かく制御しやすく、研究用途ではこの柔軟さが重宝されています。

デバッグしやすさの比較

PyTorchは「実行した行でエラーが起きる」ため、Pythonの通常のデバッグ方法がそのまま通用します

一方TensorFlowでもEager Execution時は同様ですが、グラフ化したコードではエラーメッセージがやや追いづらくなる場合があります。

Pythonに不慣れな初学者であっても、エラーメッセージのわかりやすさやステップ実行のしやすさという観点では、PyTorchにやや分があります

モデル構築とカスタマイズ性の比較

どちらのフレームワークも、CNNやRNN、Transformerなどの代表的なモデル構造を簡単に作成できます。

ただし、どの程度までを「自動でやってくれるか」「自分で書く必要があるか」には違いがあります。

Keras(TF) vs nn.Module(PyTorch)

TensorFlow(Keras)は、モデル構築を抽象化する高レベルAPIが充実しています。

たとえば画像分類のモデルを作る場合、以下のようなコードでかなりの部分を自動化できます。

Python
import tensorflow as tf

# シンプルなCNNモデル(Keras Functional API)
inputs = tf.keras.Input(shape=(28, 28, 1))
x = tf.keras.layers.Conv2D(32, 3, activation="relu")(inputs)
x = tf.keras.layers.MaxPooling2D()(x)
x = tf.keras.layers.Flatten()(x)
x = tf.keras.layers.Dense(64, activation="relu")(x)
outputs = tf.keras.layers.Dense(10, activation="softmax")(x)

model = tf.keras.Model(inputs, outputs)
model.compile(optimizer="adam",
              loss="sparse_categorical_crossentropy",
              metrics=["accuracy"])

PyTorchでも同様のモデルは書けますが、よりPythonクラスベースでの記述が中心になります。

Python
import torch
from torch import nn

class SimpleCNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        # 畳み込みとプーリング層の定義
        self.conv = nn.Conv2d(1, 32, kernel_size=3)
        self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2)
        # 全結合層の定義
        self.fc1 = nn.Linear(32 * 13 * 13, 64)  # 入力サイズは畳み込み後に合わせて計算
        self.fc2 = nn.Linear(64, 10)

    def forward(self, x):
        # 順伝播の計算手順を定義
        x = torch.relu(self.conv(x))
        x = self.pool(x)
        x = x.view(x.size(0), -1)  # Flatten
        x = torch.relu(self.fc1(x))
        x = torch.softmax(self.fc2(x), dim=1)
        return x

カスタマイズ性の違い

「既存のレイヤーを組み合わせるだけ」ならTensorFlow(Keras)は非常に楽です。

一方、新しいレイヤーや複雑な制御フローを含むモデルを自作する場合には、PyTorchのほうが直感的に書けることが多いです。

TensorFlowでもカスタムレイヤーやtf.custom_gradientなどで高度な拡張は可能ですが、実装のハードルがやや高くなる傾向があります。

学習速度とパフォーマンスの違い

パフォーマンス面では、「常にどちらかが圧倒的に速い」という状況ではありません

モデル構造やバージョン、GPU環境、設定によって結果が変わるため、最終的にはベンチマークを取るのが確実です。

とはいえ、一般的な傾向として以下のような点が挙げられます。

  • TensorFlowはグラフ最適化やXLAコンパイラにより、特定のパターンで大きな高速化が見込める
  • PyTorchもバージョンアップごとに最適化が進み、特に近年は学習速度で大きな遜色はない
  • 巨大モデルや分散学習では、実装・設定の仕方が性能に直結するため、フレームワークよりもチューニングの影響の方が大きいことも多い

開発環境とエコシステムの比較

Pythonでのセットアップと環境構築のしやすさ

TensorFlowもPyTorchも、Python環境さえ整っていればpipやcondaでインストール可能です。

ただし、GPU版のインストール手順やバージョンの組み合わせには注意が必要です。

CPU版のインストール

CPUのみの環境であれば、インストールは比較的シンプルです。

Shell
# TensorFlow CPU版
pip install tensorflow

# PyTorch CPU版(公式サイトに推奨コマンドも記載されている)
pip install torch torchvision torchaudio

GPU版のインストールと違い

GPU版では、CUDAやcuDNNのバージョンとフレームワークの対応関係を意識する必要があります。

  • TensorFlow: バージョンごとにサポートするCUDA/cuDNNの組み合わせが決まっており、公式ドキュメントで確認しながらインストールします。
  • PyTorch: 公式サイトの「Get Started」ページで、OS・パッケージマネージャ・CUDAバージョンを選択すると、対応するインストールコマンドが自動生成されます。

セットアップの体験としては、PyTorchのほうが対話的なガイドが充実しており、GPU版の導入がやや楽に感じられることが多いです

ライブラリやツールとの連携

エコシステムの面では、両者ともに多くの関連ツール・ライブラリが存在しますが、得意分野や代表選手には違いがあります。

代表的な連携ツールを表にまとめると次のようになります。

領域TensorFlow周辺PyTorch周辺
可視化/ログTensorBoardTensorBoard(対応) / Weights & Biases / MLflowなど
モバイル・エッジTensorFlow Lite / TensorFlow.jsPyTorch Mobile / TorchScript / ONNX Runtime
サービングTensorFlow ServingTorchServe / ONNX Runtime / 自作APIサーバ
高レベルAPItf.kerasPyTorch Lightning / fastai / Ignite など
AutoMLKerasTuner / Cloud AutoML などAutoGluon / Optuna + PyTorch など

TensorBoardはもともとTensorFlowのためのツールですが、PyTorchにも対応しており、どちらでも利用できます。

また、ONNX(Open Neural Network Exchange)を介してモデルを相互変換することで、フレームワークを跨いだ推論環境を作ることも可能です。

ドキュメントとチュートリアルの充実度

TensorFlowもPyTorchも公式ドキュメントとチュートリアルが豊富です。

日本語情報も年々増えており、書籍・Web記事・講演資料など多くのリソースから学ぶことができます。

傾向としては、

  • TensorFlow: Google公式チュートリアルが豊富で、Kerasを使った入門記事が多い
  • PyTorch: 研究論文実装やGitHubリポジトリが多く、実践的なコード例を見つけやすい

「最初に学ぶ」という観点では、Kerasを使ったTensorFlow入門は非常に入りやすいです。

一方で、最新論文の実装を追いかける場合は、PyTorch版が最初に公開されることが多いという違いもあります。

用途別の選び方ガイド

初心者がPythonで選ぶならどっち

Python初心者が深層学習を学ぶ場合、結論から言えばどちらを選んでも学習は可能です。

ただし、学びやすさという観点から見ると、次のような指針が立てられます。

  • 「とにかく最小限のコードで動かしてみたい」なら、Keras付きのTensorFlow入門がややわかりやすい
  • 「Pythonらしいクラス設計やループを書きながら理解したい」なら、PyTorchで学ぶと自然な形で身につきやすい

Pythonそのものにまだ慣れていない場合には、最初にNumPyでベクトル演算を練習してからどちらかに進むと、理解のスピードが上がります。

研究開発で使うならTensorFlowかPyTorchか

研究用途・論文ベースの開発では、現在PyTorchが事実上の標準となっている分野が多いです。

特に、

  • コンピュータビジョン
  • 自然言語処理
  • グラフニューラルネットワーク

といった分野で公開される最新のコードは、多くがPyTorch実装です。

一方で、TensorFlowも引き続き研究で使われています。

Google系の論文や、TPUを活用した大規模モデルではTensorFlowが選ばれるケースもあります。

研究開発の現場で、次のようなニーズがある場合にはPyTorchが適しています。

  • 最新の論文実装を素早く取り込みたい
  • 実験コードを頻繁に書き換える
  • 学生や共同研究者とのコード共有をスムーズにしたい

企業システムや本番運用での選び方

企業の本番システムとしてAIモデルを運用する場合、考慮すべき点は次のようなものです。

  • 既存のインフラやクラウドサービスとの相性
  • チームメンバーのスキルセット
  • 長期的な保守性とドキュメント整備
  • モデルの再学習やバージョン管理のしやすさ

TensorFlowは、TensorFlow ServingやTensorFlow Extended(TFX)など、本番運用を意識した公式ツールが揃っているため、大規模なMLOps基盤を構築したい場合に選ばれやすいです。

特にGoogle Cloudとの親和性は高く、GCP上のAIサービスと組み合わせる設計が取りやすくなります。

PyTorchは、FlaskやFastAPIなどのWebフレームワークと組み合わせて、軽量な推論APIを自作する構成がよく採用されます。

また、ONNX形式に変換してONNX Runtimeで高速に推論する構成も広く使われています。

モバイル・エッジ・MLOpsでの違い

モバイルやエッジデバイスへの展開、MLOps基盤の構築という観点でも、それぞれに強みがあります。

  • モバイル/エッジ:
    • TensorFlow Lite: AndroidやiOS、組み込み向けに最適化されたランタイムが用意されている
    • PyTorch Mobile: iOS/Android向けにPyTorchモデルを直接動かす仕組みがあるが、エコシステムはTF Liteほど成熟していない分野もある
  • MLOps:
    • TensorFlow Extended(TFX): データパイプラインから学習・評価・デプロイまでを統合的に扱うフレームワーク
    • PyTorch: MLflow, Kubeflow, Airflowなどの汎用MLOpsツールと組み合わせて使うケースが多い

「単一プロダクトでモバイルからサーバーまでTensorFlowで統一する」という設計は非常にとりやすいため、規模が大きい企業システムではTensorFlowが依然として有利な場面があります。

TensorFlowとPyTorchの学習ロードマップ

Python初心者が最初に学ぶべきポイント

どちらのフレームワークを選ぶにしても、前提として押さえておきたいPythonの知識があります。

  • 変数、関数、クラス、モジュールの基礎
  • リスト、辞書、タプルなどのデータ構造
  • forループ、if文、例外処理
  • NumPyによる配列・行列演算
  • Matplotlibなどによる基本的な可視化

これらを一通りおさえた上で、TensorFlowもしくはPyTorchの入門チュートリアルに進むと、理解がスムーズになります。

TensorFlowの学習ステップ

TensorFlowを学ぶ際の典型的なステップを、文章で順に説明します。

  1. Kerasによる基本モデル構築
    MNISTなどの簡単なデータセットで、全結合ネットワークや簡単なCNNを作り、model.compilemodel.fitの流れを掴みます。
  2. Functional APIとSubclassing
    Input/Outputを明示して複雑なネットワークを作る方法(Functional API)や、クラス継承でモデルを定義する方法を学びます。
  3. カスタムトレーニングループ
    tf.GradientTapeを使った手書きの学習ループを経験し、TensorFlowの自動微分の仕組みを理解します。
  4. tf.dataやコールバックの活用
    入力パイプラインの最適化や、早期終了・モデルチェックポイントなどの機能を身につけます。
  5. SavedModelとTensorFlow Serving/TFLite
    学習済みモデルの保存・読み込みと、本番環境への展開方法を学びます。

PyTorchの学習ステップ

PyTorchを学ぶときの代表的なロードマップは次の通りです。

  1. テンソルと自動微分
    torch.Tensorrequires_gradの基本、backward()による勾配計算を小さな例で確認します。
  2. nn.Moduleとoptim
    nn.Moduleを継承したモデル定義、nn.Linearなどの基本レイヤー、torch.optimの使い方を学びます。
  3. 学習ループの実装
    forループを回して順伝播→損失計算→逆伝播→パラメータ更新、という一連の流れを自分で書けるようにします。
  4. DataLoaderとDataset
    データセットクラスを自作し、DataLoaderでバッチ処理・シャッフル・マルチプロセス読み込みを扱えるようにします。
  5. モデル保存・推論・ONNX変換
    torch.savetorch.load、評価モード(model.eval())での推論、ONNXへのエクスポートを学びます。

こんな人にはTensorFlowがおすすめ

TensorFlowが向いているプロジェクトの特徴

TensorFlowは、特に次のような特徴を持つプロジェクトに向いています。

  • モバイルアプリやIoTデバイスへの組み込みを強く意識している
  • Google CloudやVertex AIなど、GCPのマネージドサービスを積極的に使う予定がある
  • 大人数のチームで、長期間運用する大規模システムを構築している
  • モデル開発からMLOpsまで、一貫して単一ベンダーのツール群で統合したい

TensorFlowを選ぶメリットとデメリット

TensorFlowを選ぶことの主なメリット・デメリットを言葉で整理しておきます。

メリットとしては、

  • エコシステムが広く、本番運用までの道筋がはっきりしている
  • Kerasによる高レベルAPIで、初心者でも比較的短いコードでモデルを構築できる
  • TensorBoardやTFXなど、周辺ツールが公式に統合されている

一方、デメリットとしては、

  • 高度なカスタマイズやグラフモード利用時に、学習コストがやや高くなる
  • 最新の研究コードがTensorFlow版で提供されないことも多く、研究キャッチアップの面ではPyTorchに劣る場面がある

「クラウドとモバイルを含む実運用を見据えた長期プロジェクト」には、TensorFlowが非常に強力な選択肢となります。

こんな人にはPyTorchがおすすめ

PyTorchが向いているプロジェクトの特徴

PyTorchが特にマッチしやすいのは、次のようなプロジェクトです。

  • 新しいモデル構造や研究アイデアを積極的に試していきたい
  • 研究者や大学との共同研究が多い
  • チーム全体がPythonに慣れていて、コードの可読性・デバッグ性を重視する
  • 軽量なAPIサーバーやマイクロサービス構成で柔軟に展開したい

PyTorchを選ぶメリットとデメリット

PyTorchの主なメリットは以下の通りです。

  • Pythonに近いインターフェースで、直観的かつ柔軟にコードを書ける
  • 研究コミュニティでの採用率が高く、最新の論文実装を入手しやすい
  • デバッグがしやすく、エラー原因を特定しやすい

一方で、デメリットも存在します。

  • 公式のエンドツーエンドMLOpsツールチェーンはTensorFlowほど一体化しておらず、各種ツールを組み合わせる設計が必要
  • モバイル・エッジ向けエコシステムは改善しつつあるが、TensorFlow Liteに比べると情報量が少ない分野もある

「研究的な試行錯誤を重ねながら実用的なサービスにもつなげたい」というニーズには、PyTorchが非常に適した選択肢になります。

まとめ

TensorFlowとPyTorchは、どちらもPythonから利用できる強力な深層学習フレームワークです。

TensorFlowはエコシステムと本番運用、PyTorchはコードの書きやすさと研究コミュニティでの普及という形で、それぞれの強みを持っています。

Python初心者であればKeras付きのTensorFlow入門から、「最新研究を追いかけたい」「Pythonらしいコードで書きたい」ならPyTorchから、といった選び方も有効です。

最終的には、プロジェクトの性質やチームのスキル、将来の運用方針を踏まえ、自分たちにとって最も扱いやすいフレームワークを選ぶことが何よりも重要です。

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