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分布式训练

1632 个字 预计阅读时间 5 分钟

Abstract

  • 介绍了分布式训练的背景和常见的 4 种并行策略
  • learn from OneFlow/docs

为什么分布式训练越来越流行

近年来,深度学习被广泛应用到各个领域,包括计算机视觉、语言理解、语音识别、广告推荐等。在这些不同的领域中,一个共同的特点就是模型规模越来越大,比如 GPT-3 模型的参数量达到 1750 亿。即使用 1024 80 GB A100,那么完整训练 GPT-3 的时长都需要 1 个月。

模型规模的扩大,对硬件(算力、内存)的发展提出要求。然而,因为 内存墙 的存在,单一设备的算力及容量,受限于物理定律,持续提高芯片的集成越来越困难,难以跟上模型扩大的需求。

为了解决算力增速不足的问题,人们考虑用多节点集群进行分布式训练,以提升算力,分布式训练势在必行。

常见的并行策略

简单的机器堆叠并不一定会带来算力的增长。因为神经网络的训练并不是单纯的“把原来一个设备做的事情,现在分给多个设备各自做”,它不仅需要多个设备进行计算,还涉及到设备之间的数据传输,只有协调好集群中的计算与通信,才能做高效的分布式训练。

我们将以矩阵乘法的例子,解释数据并行、模型并行的区别。

先了解以下逻辑上的矩阵乘法例子 :

假设神经网络中某一层是做矩阵乘法,其中的输入 \(x\) 的形状为 \(4\times5\),模型参数 \(w\) 的形状为 \(5\times8\),那么,矩阵乘法输出形状为 \(4\times8\)。示意图如下:

matmul

单机单卡的训练中,以上矩阵乘法,先计算得到 \(out\),并将 \(out\) 传递给下一层,并最终计算得到 \(loss\),然后在反向传播过程中,得到 \(\frac{\partial loss}{\partial w}\),用于更新 \(w\)

分布式训练中,依据是切分 \(x\) 还是 \(w\) 的不同,分为“数据并行”和“模型并行”策略。接下来,我们介绍常见的并行策略。

数据并行

所谓的数据并行,就是将数据 \(x\) 进行切分,而每个设备上的模型 \(w\) 是完整的、一致的。如下图所示,\(x\) 被按照第 0 维度平均切分到 2 个设备上,两个设备上都有完整的 \(w\)

这样,在两台设备上,分别得到的输出,都只是逻辑上输出的一半(形状为 \(2\times8\),将两个设备上的输出拼接到一起,才能得到逻辑上完整的输出。

Data Paralelism

注意,因为数据被分发到了 2 个设备上,因此反向传播过程,各自设备上得到的 \(\frac{\partial loss}{\partial w}\) 会不一样,如果直接使用各个设备上的梯度更新各自的模型,会造成 2 个设备上的 模型不一致,训练就失去了意义(到底用哪个模型好呢

因此,数据并行策略下,在反向传播过程中,需要对各个设备上的梯度进行 AllReduce,以确保各个设备上的模型始终保持一致。

当数据集较大,模型较小时,由于反向过程中为同步梯度产生的通信代价较小,此时选择数据并行一般比较有优势,常见的视觉分类模型,如 ResNet50,比较适合采用数据并行。

模型并行

当神经网络非常巨大,数据并行同步梯度的代价就会很大,甚至网络可能巨大到无法存放到单一计算设备中,这时候,可以采用模型并行策略解决问题。

所谓的模型并行,就是每个设备上的数据是完整的、一致的,而模型 \(w\) 被切分到了各个设备上,每个设备只拥有模型的一部分,所有计算设备上的模型拼在一起,才是完整的模型。

如下图所示,\(w\) 被按照第 1 维度平均切分到 2 个设备上,两个设备上都有完整的 \(x\)。两个设备上的输出也需要通过拼接才能得到逻辑上的输出。

Model Paralelism

模型并行的好处是,省去了多个设备之间的梯度 AllReduce;但是,由于每个设备都需要完整的数据输入,因此,数据会在多个设备之间进行广播,产生通信代价。比如,上图中的最终得到的 \(out~(4\times8)\) ,如果它作为下一层网络的输入,那么它就需要被广播发送到两个设备上。

语言模型,如 BERT,常采用模型并行。

流水并行

当神经网络过于巨大,无法在一个设备上存放时,除了上述的模型并行的策略外,还可以选择流水并行。 流水并行指将网络切为多个阶段,并分发到不同的计算设备上,各个计算设备之间以“接力”的方式完成训练。

如下图,展示了一个逻辑上的 4 层网络(T1T4 ) 是如何做流水并行的。

4 层网络被切分到 2 个计算设备上,其中 GPU0 上进行 T1T2 的运算,GPU1 上进行 T3T4 的计算。

GPU0 上完成前两层的计算后,它的输出被当作 GPU1 的输入,继续进行后两层的计算。

Relay

混合并行

网络的训练中,也可以将多种并行策略混用,以 GPT-3 为例,以下是它训练时的设备并行方案:

它首先被分为 64 个阶段,进行流水并行。每个阶段都运行在 6 DGX-A100 主机上。在 6 台主机之间,进行的是数据并行训练;每台主机有 8 GPU 显卡,同一台机器上的 8 GPU 显卡之间是进行模型并行训练。

gpt-3

并行策略的选择影响着训练效率,框架对并行训练的接口支持程度,决定了算法工程师的开发效率。OneFlow 针对分布式训练所做的系统级设计和创新,为用户轻松上手分布式训练做足了铺垫。我们将在本专题的其它文章中看到相关示例。


最后更新: 2024年1月19日 19:36:50
创建日期: 2023年12月18日 13:21:39
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