[原始碼解析] 深度學習流水線並行 PipeDream(6)--- 1F1B策略

0x00 摘要

在前文中，我們介紹了PipeDream的總體架構，Profile階段，計算分割槽階段，模型轉換階段，執行時引擎和通訊模組，本文是 PipeDream 系列最後一篇，介紹 1F1B 策略，這是 PipeDream 最大的貢獻。

流水線並行其他文章連結如下:

[原始碼解析] 深度學習流水線並行Gpipe(1)---流水線基本實現

[原始碼解析] 深度學習流水線並行GPipe (2) ----- 梯度累積

[原始碼解析] 深度學習流水線並行 GPipe(3) ----重計算

[原始碼解析] 深度學習流水線並行之PipeDream(1)--- Profile階段

[原始碼解析] 深度學習流水線並行 PipeDream(2)--- 計算分割槽

[原始碼解析] 深度學習流水線並行 PipeDream(3)--- 轉換模型

[原始碼解析] 深度學習流水線並行 PipeDream(4)--- 執行時引擎

[原始碼解析] 深度學習流水線並行 PipeDream(5)--- 通訊模組

0x01 流水線比較

首先，我們比較一下目前分析過的各個流水線。

1.1 普通流水線

DNN模型組成的基本單位是層。PipeDream將DNN的這些層劃分為多個階段——每個階段（stage）由模型中的一組連續層組成。PipeDream把模型的不同的階段部署在不同的機器上，每個階段可能有不同的replication。該階段對本階段中所有層執行向前和向後傳遞。PipeDream將包含輸入層的階段稱為輸入階段，將包含輸出層的階段稱為輸出階段。

在最簡單的情況下，和傳統的模型並行訓練中一樣，系統中只有一個minibatch是活動的。上圖就顯示了一個計算時間線，該示例有四臺機器和一個管道，可以認為是一個最普通的流水線。

  • 在正向階段，每個階段對本階段中的層的minibatch執行正向傳遞，並將結果傳送到下一階段。輸出級在完成前向傳遞後，計算minibatch的損失。
  • 在後向階段，每個階段形成後向通道，逐一將損失傳播到前一階段。

1.2 Gpipe流水線

因為PipeDream是基於Gpipe進行改進，所以我們也要基於 Gpipe 看看其問題所在。

Gpipe 的流水線並行訓練圖如下：

  • 將被訓練的這些層劃分為多個階段，每個階段包含模型之中一組連續的層。
  • 把輸入資料minibatch進行分片，分成 m 個microbatches，像 allreduce 一樣，計算完一些就傳給下個節點，最後同步更新引數。
  • GPipe使用現有的技術，如梯度累積來優化記憶體效率，通過丟棄前向傳播和後向傳播之間的activation儲存來交換記憶體，在後向傳遞需要activation時再重新計算它們。

Gpipe的流水線有幾個問題：

  • 過多流水線重新整理導致空閒時間的增加。
  • 如果m很小，Gpipe可能會由於重新計算開銷和頻繁的管道重新整理而降低硬體效率，所以 m 一般都設定的較大。
  • 於是需要快取 m 份 activation導致記憶體增加。原因是每個microbatch前向計算的中間結果activation都要被其後向計算所使用，所以需要在記憶體中快取。

1.3 1F1B流水線

PipeDream 的 1F1B（One Forward pass followed by One Backward pass）策略就可以解決快取 activation 的份數問題，使得 activation 的快取數量只跟階段（stage）數相關，從而進一步節省視訊記憶體。

Pipeline的並行方式是把模型的不同層放到不同機器（節點）上，順序地進行前向計算和反向計算。

PipeDream的目標是：以最小化總體訓練時間的方式將流水線並行，模型並行性和資料並行性結合起來。然而，要使這種方法對大型DNN模型有效，獲得流水線並行化訓練的潛在收益，PipeDream 必須克服三個主要挑戰：

  1. 如何跨可用計算資源自動劃分工作（模型的層）。
  2. 在確保訓練任務向前推進的同時，如何排程計算以最大化吞吐量。
  3. 面對流水線帶來的非同步性，如何確保訓練有效。

其中 1F1B 就對應了後面兩個挑戰。

1.3.1 思路

我們剖析下1F1B策略的思路。

終極目的是：減少activation 的快取數量，降低視訊記憶體佔用，從而可以訓練更大的模型。

目前困境是：即便使用了Checkpointing 技術，前向計算的 activation 也需要等到對應的後向計算完成之後才能釋放。

解決思路是：努力減少每個 activation 的儲存時間，即這就需要每個 micro-batch 資料儘可能早的完成後向計算讓，從而讓每個 activation 儘可能早釋放。

注意：PipeDream中，最後使用的是minibatch這個單詞，所以我們可以認為PipeDream的minibatch就是 Gpipe的 micro-batch，從這裡開始，都使用 minibatch。

解決方案是：

  • 讓最後一個 stage（下圖中的 Machine 4） 在做完一次 minibatch 的前向傳播之後，就立即做本minibatch 的後向傳播，那麼就可以讓其他 stage 儘可能早的開始後向傳播計算，這就是 1F1B 策略。有點類似於把整體同步變成了眾多小資料塊上的非同步，而且眾多小資料塊都是大家獨立更新。
  • 在 1F1B 的穩定狀態下，會在每臺機器上嚴格交替的進行前向計算/後向計算，這樣使得每個GPU上都會有一個minibatch資料正在處理，從而保證資源的高利用率（整個pipeline比較均衡，可忽略的流水線暫停，沒有流水線 flush，能確保以固定週期執行每個階段上的引數更新）
  • 面對流水線帶來的非同步性，1F1B 使用不同版本的權重來確保訓練的有效性。
  • PipeDream 又擴充套件了 1F1B，對於使用資料並行的stage，採用 round-robin的排程模式將任務分配在同一個stage的各個裝置上，保證了一個batch的資料的前向傳播計算和後向傳播計算髮生在同一臺機器上，這就是 1F1B-RR（one-forward-noe-backward-round-robin）。

實際上，1F1B策略就是把一個batch的同步變為了眾多小資料（minibatch）上的非同步，計算完一個minibatch就立刻反向，一個minibatch的反向結束之後就更新對應worker的梯度。所有worker一起跑起來。可以理解為從 BSP 執行變成了 ASP 執行。

1.3.2 圖示

下圖是實施了 1F1B 的流水線。

  • 把一個 batch 分成多個mini batches，比如把一個 batch 分成 1，2，3，4 這4個mini batches。
  • 把多個 mini batches 逐一插入到流水線。
  • Machine 1 先計算 藍色 1 的前向傳播，然後把藍色 1 傳送給 Machine 2 繼續計算。
  • Machine 2 接著計算 藍色 2 的前向傳播，然後把藍色 1 發給 Machine 2 繼續計算。
  • 當藍色 1 由上至下遍歷了 Machine 1 ~ 4，則完成了全部前向傳播，於是開始進行反向傳播，對應了第一個綠色 1，然後逆向傳遞到 Machine 3 ~ 1。
  • 當資料 1 完成了全部反向傳播，即綠色 1 來到了 Machine 1。
  • 每個機器在完成自己 mini batch 的反向傳播之後，會在本地進行梯度更新。
  • Machine 和 Machine 之間只傳送模型的一個子集，這樣計算和通訊可以並行。

需要注意，下圖給出了初始階段和穩定階段，我們後續講解中會提到這兩個階段。

0x02 PipeDream 實現

首先給出一個包含4個GPU的示例圖，圖內也給出了其中一個GPU（Mach. 3）的時間流示例。這裡計算和梯度/啟用通訊是有部分重疊的。

2.1 總體邏輯

我們以一次訓練為例，結合下圖來說明。

需要介紹一個名詞 NOAM，活動小批次數目。

NUM_OPT_ACTIVE_MINIBATCHES (NOAM) = ⌈ (# machines) / (# machines in the input stage) ⌉

其意義是：基於我們的演算法生成的分割槽，為了在穩定狀態下保持流水線滿負荷，每個輸入級副本所允許的最小批處理數。

上圖顯示了管道的相應計算時間線，每個流水線有4個階段在不同機器上執行，所以此配置的NOAM為 4。

我們具體再分析下執行步驟。

  • 在訓練開始的啟動階段（圖上的Startup State），輸入的stage的先讀入足夠多minibatch的資料（就是NOAM個），以保證pipeline在穩定階段時，各個裝置上都有相應的工作在處理。對於上圖，就是輸入階段傳送四個小批次傳播到輸出階段。
  • 一旦輸出階段完成第一個小批次的前向傳播（就是Machine 4 第一個藍色1），它就對同一個小批次執行後向傳播（就是Machine 4 的第一個綠色 1）。
  • 然後開始交替執行後續小批次的前向傳播和後向傳播（就是 Machine 4 的 2前，2後，3前，3後.....）。
  • 當反向傳播過程開始傳播到管道中的早期階段時（就是Work 3 ~ Work 1），每個階段開始在不同小批次的正向和反向過程之間交替進行。
  • 在穩定狀態下，每臺機器都忙著對一個小批次進行正向傳播或反向傳播。

2.2 權重問題

Pipeline的訓練模式會引入兩種引數不一致性，因為實際是ASP計算，沒有協調會越幹越亂：

  • 在一個原生的PipeDream流水線中，每個階段的前向傳播都是使用某一個版本的引數來執行，而其後向傳播則是使用不同版本的引數來執行的，即同一個minibatch的前向傳播和後向傳播使用的引數不一致。例如上圖所示：

    • 當 minibatch 5 進入到 worker 1 時，它的前向傳播邏輯在 minibatch 1 的後向傳播計算之後執行，即它前向傳播計算時候使用的引數是 minibatch 1 後向傳播計算之後更新的引數。
    • 但是 minibatch 5 後向傳播邏輯是在 "minibatch 2, minibatch 3, minibatch 4" 執行完後才開始計算，即此時使用的引數是"minibatch 1, minibatch 2, minibatch 3, minibatch 4" 後向傳播計算之後更新的引數。
    • 這就導致 minibatch 5 的前向計算和後向計算時候，使用的引數不一致。即，第一行 Machine 1，藍色 5 號 和 綠色 5 號 計算時候，必須都使用 綠色 1 號之後更新的引數。
  • 同一個minibatch在不同stage做同樣操作（同樣做前向操作，或者同樣做後向傳播）使用的引數版本不一致。同樣如上圖所示：
    • 對於 minibatch 5 在 worker 1 上的前向計算部分（藍色5），他的前向邏輯在 minibatch 1 的後向計算以後執行。
    • 但是 minibatch 5 在 worker 2 上的前向計算部分（藍色5），是在 "minibatch 1, minibatch 2" 的後向計算結束後才執行。
    • 這就導致了 minibatch 5 在兩個stage上前向計算使用的引數版本不一致。

為解決這兩個問題，PipeDream 分別採用了 weight stashing 和 Vertical Sync 兩種技術

  • Weight stashing : 為權重維護多個版本，每個active minibatch都有一個版本。每個stage 都用最新版本的權重進行前向計算，處理輸入的minibatch。計算前向傳播之後，會將這份引數儲存下來用於同一個minibatch的後向計算。Weight stashing確保在一個階段內，相同版本的模型引數被用於給定小批量的向前和向後傳播，但是不能保證跨階段間，一個給定的小批次使用模型引數的一致性。
  • Vertical Sync : 每個minibatch進入pipeline時都使用輸入stage最新版本的引數，並且引數的版本號會伴隨該minibatch資料整個生命週期，在各個階段都是用同一個版本的引數（而不是Weight stashing那樣都使用最新版本的引數），從而實現了stage間的引數一致性。

2.3 Weight Stashing

我們以下圖為例：

Worker 1, work 2 ... 各自有自己的權重， 記為 \(W_1\)，\(W_2\) .... 即，圖上的 \(W_i^{(j)}\)，下標 i 表示 第 i 個 worker，上標 ( j ) 表示第 j 個minibatch。

在一個階段（每一個 worker）中：

  • 每次向後傳播都會導致權重更新，下一次向前傳使用最新版本的可用權重。就是說，每個 worker 的權重，在出現一個新的綠色後向傳播之後會被更新。接下來的新操作應該基於這個新權重。
  • 計算前向傳播之後，會將這份前向傳播使用的權重儲存下來用於同一個 minibatch 的後向計算。
  • Weight stashing確保在一個階段內，相同版本的模型引數被用於給定小批量的向前和向後傳播。

我們以上圖為例：

Worker 1 第一行的藍色 5 依賴於 它前面同一行的綠色 1。Worker 1 所在行的第一個綠色 1 結束時，代表了 minibatch 1 完成了本次流水線的 4 次前向傳播，4次後向傳播。所以是一個新版本的 weight 1，就是\(W_1^{(1)}\)。因此，Work 1 的兩個 minibatch 5（藍色前向和綠色後向）都應該基於新版本 \(W_1^{(1)}\) 計算。因此需要記錄下來 新版本 \(W_1^{(1)}\)。

Worker 2 第二行的藍色 5 依賴於它前面同一行的綠色 2。同理，Worker 1 的第一個綠色 2 結束時，代表了 minibatch 2 完成了本次流水線的 4 次前向傳播，4次後向傳播。所以是一個新版本的 weight 2。此時的 minibatch 6 的前向和圖上未標出的綠色後向都應該基於 新版本的 weight 2 計算，因此需要記錄下來 新版本 \(W_2^{(2)}\)。

對於 worker 3，從它的角度看，它本身的權重應該執行兩次前向，兩次後向（worker 4一次，然後 worker 3 第二次）。當執行 minibatch 5 的前向傳播時候，\(W_3^{(3)}\)已經更新（被minibatch 3 的綠色更新），所以需要記錄下來 \(W_3^{(3)}\)，為了以後 minibatch 5 的後向更新使用。

依次類推，worker 1 需要記錄 \(W_1^{(1)}\), \(W_1^{(2)}\)，\(W_1^{(3)}\)，\(W_1^{(4)}\)，... 的每一個新版本。就是 worker 1 對應 minibatch 1,2,3,4 的各個權重。

2.4 Vertical Sync

目前問題是：worker 1 上 minibath 5 的前向計算用的是 1 後向傳播之後的引數，但worker 2 上計算 minibath 5 是用 2 後向傳播之後的引數，最後彙總的時候不就又亂了？

Vertical Sync機制是：每個進入管道的 minibatch（\(b_i\)）都與其進入流水線輸入階段時候的最新權重版本\(w^{(i-x)}\)相聯絡。當小批次在流水線前向傳播階段前進時候，這個版本資訊隨著啟用值和梯度一起流動。在所有階段中，\(b_i\) 的前向傳播使用儲存的\(w^{(i-x)}\)來計算，而不是Weight stashing那樣都使用最新版本的引數。在使用儲存的 \(w^{(i-x)}\)來計算後向傳播之後，每個階段獨立應用權重更新，建立最新權重\(w^{(i)}\)，然後刪除\(w^{(i-x)}\)。

用下面圖來說明：

強制所有worker在計算 minibatch 5 的時候都用本worker做 minibatch 1 反向傳播之後的引數，具體來說就是：

對於 worker 2，使用本階段綠色1（1反向傳播之後，更新的本階段權重）來做 5 的前向傳播。

同理，對於 worker 3，使用本階段綠色1（1反向傳播之後，更新的本階段權重）來做 5 的前向傳播。對於 worker 4，使用本階段綠色1（1反向傳播之後，更新的本階段權重）來做 5 的前向傳播。

但是，這樣同步會導致很多計算浪費無用。比如5更新時用的1的權重，但2/3/4後向傳播的權重都白白計算了，所以預設不使用Vertical Sync。這樣雖然每層不完全一致，但是由於weight stashing的存在，所有的引數都是有效的。

2.5 緩衝區

這裡對緩衝區的處理再做一下說明。

引數狀態。對於每個階段，PipeDream主要維護與GPU記憶體中直接分配給該階段的層相關的所有引數。每個層的引數分別儲存，每個層分配一個唯一的ID。如果沒有複製該階段，PipeDream將更新應用到儲存在GPU記憶體中的引數資料的最新版本，當所提供的GPU緩衝區中的權重更新可用時。如果複製了stage，則將權重更新複製到主機記憶體，然後傳送到引數伺服器。當新版本的引數可用時，作為權重儲存方案的一部分，不會立即丟棄以前的版本。引數資料只有在使用較新引數的向後傳遞被格式化後才會被丟棄。

中間狀態。每個層的中間資料也被分配了一個唯一的blob ID。當從前一級（或在輸入級的情況下從磁碟）接收中間資料時，PipeDream將中間資料複製到GPU記憶體，並在工作佇列中放置一個指向相關緩衝區的指標。在關聯的minibatch完成該階段的向後傳遞之前，forward傳遞的中間資料不會被丟棄。當ML工作人員完成使用後，以及如果需要，在將其傳送到下一階段之後，來自向後傳遞的中間資料就被釋放。由於向前和向後傳遞中對中間資料的要求不同，PipeDream中的stage通常管理來自向前傳遞的多個版本的中間資料，而只管理來自當前執行的向後傳遞的單個版本的中間資料。

0x03 程式碼

3.1 總體程式碼

我們用 runtime/translation/main_with_runtime.py 來分析。

下面省略部分次要程式碼。

使用 runtime 的總體邏輯可以如下檔案為例 ：runtime/translation/main_with_runtime.py。主要邏輯是：

  • 解析輸入引數。
  • 載入，生成模型。
  • 依據模組來構建模型。
  • 依據引數進行配置比如輸入大小，batch size等。
  • 遍歷模型的每個層（跳過最後loss層）。
    • 遍歷每層的輸入，構建輸入張量。
    • 通過呼叫stage對應的forward函式，構建出輸出。
    • 遍歷每層的輸出，設定其型別和形狀 。
  • 構建輸出值張量型別。
  • 載入配置檔案。
  • 構建一個 StageRuntime。
  • 建立 optimizer，這裡 optimizer，使用了AdamWithWeightStashing 或者 SGDWithWeightStashing，所以就是使用了 weight stashing。
  • 載入 dataset。
  • 進行訓練，儲存checkpoint。

總體程式碼如下：

  1. def main():
  2.     # 解析輸入引數
  3.     global args, best_prec1
  4.     args = parser.parse_args()
  6.     # Special case handling for GNMT model
  7.     l2_promote()
  9.     torch.cuda.set_device(args.local_rank)
  11.     # build tokenizer
  12.     tokenizer = Tokenizer(os.path.join(args.data_dir, config.VOCAB_FNAME))
  14.     # define loss function
  15.     criterion = build_gnmt_criterion(
  16.         vocab_size=tokenizer.vocab_size, padding_idx=config.PAD, smoothing=0.1)
  18.     # create stages of the model
  19.     # 載入，生成模型
  20.     module = importlib.import_module(args.module)
  21.     args.arch = module.arch()
  22.     # 依據模組來構建模型
  23.     model = module.model(criterion)
  25.     # 依據引數進行配置比如輸入大小，batch size等
  26.     input_size = [args.max_length_train, args.batch_size]
  27.     training_tensor_shapes = {"input0": input_size, "input1": [args.batch_size],
  28.                               "input2": input_size, "target": [args.max_length_train * args.batch_size],
  29.                               "target_length": [args.batch_size]}
  30.     dtypes = {"input0": torch.int64, "input1": torch.int64, "input2": torch.int64,
  31.               "target": torch.int64, "target_length": torch.int32}
  32.     inputs_module_destinations = {"input0": 0, "input1": 0, "input2": 0}
  33.     target_tensor_names = {"target", "target_length"}
  35.     # 遍歷模型的每個層（跳過最後loss層）
  36.     for module_id, (stage, inputs, outputs) in enumerate(model[:-1]):  # Skip last layer (loss).
  37.         input_tensors = []
  38.         # 遍歷每層的輸入，構建輸入張量
  39.         for module_input in inputs:
  40.             if module_input in inputs_module_destinations:
  41.                 inputs_module_destinations[module_input] = module_id
  43.             input_tensor = torch.ones(tuple(training_tensor_shapes[module_input]),
  44.                                       dtype=dtypes[module_input])#.cuda()
  45.             input_tensors.append(input_tensor)
  46.         #stage.cuda()
  47.         # PyTorch should not maintain metadata for a backward pass on
  48.         # synthetic inputs. Without the following line, the runtime is
  49.         # as much as 1.5x slower in a full DP configuration.
  50.         with torch.no_grad():
  51.             # 通過呼叫stage對應的forward函式，構建出輸出
  52.             output_tensors = stage(*tuple(input_tensors))
  53.         if not type(output_tensors) is tuple:
  54.             output_tensors = [output_tensors]
  55.         # 遍歷每層的輸出，設定其型別和形狀
  56.         for output, output_tensor in zip(outputs,
  57.                                          list(output_tensors)):
  58.             # output 是 ['out2', 'out1']
  59.             training_tensor_shapes[output] = list(output_tensor.size())
  60.             dtypes[output] = output_tensor.dtype
  62.     # 構建輸出值張量型別
  63.     eval_tensor_shapes = {}
  64.     for key in training_tensor_shapes:
  65.         eval_tensor_shapes[key] = tuple(
  66.             training_tensor_shapes[key])
  67.         training_tensor_shapes[key] = tuple(
  68.             training_tensor_shapes[key])
  70.     # 載入配置檔案
  71.     configuration_maps = {
  72.         'module_to_stage_map': None,
  73.         'stage_to_rank_map': None,
  74.         'stage_to_depth_map': None
  75.     }
  76.     if args.config_path is not None:
  77.         json_config_file = json.load(open(args.config_path, 'r'))
  78.         configuration_maps['module_to_stage_map'] = json_config_file.get("module_to_stage_map", None)
  79.         configuration_maps['stage_to_rank_map'] = json_config_file.get("stage_to_rank_map", None)
  80.         configuration_maps['stage_to_rank_map'] = {
  81.             int(k): v for (k, v) in configuration_maps['stage_to_rank_map'].items()}
  82.         configuration_maps['stage_to_depth_map'] = json_config_file.get("stage_to_depth_map", None)
  84.     # 構建一個 StageRuntime
  85.     r = runtime.StageRuntime(
  86.         model=model, distributed_backend=args.distributed_backend,
  87.         fp16=args.fp16, loss_scale=args.loss_scale,
  88.         training_tensor_shapes=training_tensor_shapes,
  89.         eval_tensor_shapes=eval_tensor_shapes,
  90.         training_tensor_dtypes=dtypes,
  91.         inputs_module_destinations=inputs_module_destinations,
  92.         target_tensor_names=target_tensor_names,
  93.         configuration_maps=configuration_maps,
  94.         master_addr=args.master_addr,
  95.         rank=args.rank, local_rank=args.local_rank,
  96.         num_ranks_in_server=args.num_ranks_in_server,
  97.         verbose_freq=args.verbose_frequency,
  98.         model_type=runtime.TRANSLATION,
  99.         enable_recompute=args.recompute)
  101.     # stage needed to determine if current stage is the first stage
  102.     # num_stages needed to determine if current stage is the last stage
  103.     # num_ranks needed to determine number of warmup_minibatches in case of pipelining
  104.     args.stage = r.stage
  105.     args.num_stages = r.num_stages
  106.     args.num_ranks = r.num_ranks
  107.     if not is_first_stage():
  108.         args.synthetic_data = True
  110.     # define optimizer
  111.     if args.no_input_pipelining:
  112.         num_versions = 1
  113.     else:
  114.         # number of versions is the total number of machines following the current
  115.         # stage, shared amongst all replicas in this stage
  116.         num_versions = r.num_warmup_minibatches + 1
  118.     # if specified, resume from checkpoint
  119.     if args.resume:
  120.         checkpoint_file_path = "%s.%d.pth.tar" % (args.resume, r.stage)
  121.         assert os.path.isfile(checkpoint_file_path)
  122.         print("=> loading checkpoint '{}'".format(checkpoint_file_path))
  123.         checkpoint = torch.load(checkpoint_file_path)
  124.         args.start_epoch = checkpoint['epoch']
  125.         best_prec1 = checkpoint['best_prec1']
  126.         r.load_state_dict(checkpoint['state_dict'])
  127.         print("=> loaded checkpoint '{}' (epoch {})"
  128.                 .format(checkpoint_file_path, checkpoint['epoch']))
  130.     # TODO: make this configurable by args
  131.     # 建立 optimizer，使用了AdamWithWeightStashing 或者 SGDWithWeightStashing
  132.     use_adam_optimizer = True
  133.     if use_adam_optimizer:
  134.         optimizer = adam.AdamWithWeightStashing(
  135.             modules=r.modules(), master_parameters=r.master_parameters,
  136.             model_parameters=r.model_parameters, loss_scale=args.loss_scale,
  137.             num_versions=num_versions, lr=args.lr, betas=(0.9,0.999),
  138.             weight_decay=args.weight_decay, verbose_freq=args.verbose_frequency,
  139.             macrobatch=args.macrobatch)
  140.     else:
  141.         optimizer = sgd.SGDWithWeightStashing(
  142.             modules=r.modules(), master_parameters=r.master_parameters,
  143.             model_parameters=r.model_parameters, loss_scale=args.loss_scale,
  144.             num_versions=num_versions, lr=args.lr, momentum=args.momentum,
  145.             weight_decay=args.weight_decay, verbose_freq=args.verbose_frequency)
  147.     if args.resume:
  148.         optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer'])
  150.     cudnn.benchmark = True
  152.     # 載入 dataset
  153.     train_dataset = LazyParallelDataset(
  154.         src_fname=os.path.join(args.data_dir, config.SRC_TRAIN_FNAME),
  155.         tgt_fname=os.path.join(args.data_dir, config.TGT_TRAIN_FNAME),
  156.         tokenizer=tokenizer,
  157.         min_len=args.min_length_train,
  158.         max_len=args.max_length_train,
  159.         sort=False,
  160.         max_size=None)
  162.     val_dataset = ParallelDataset(
  163.         src_fname=os.path.join(args.data_dir, config.SRC_VAL_FNAME),
  164.         tgt_fname=os.path.join(args.data_dir, config.TGT_VAL_FNAME),
  165.         tokenizer=tokenizer,
  166.         min_len=args.min_length_train,
  167.         max_len=args.max_length_train,
  168.         sort=True)
  170.     distributed_sampler = False
  171.     if configuration_maps['stage_to_rank_map'] is not None:
  172.         num_ranks_in_first_stage = len(configuration_maps['stage_to_rank_map'][0])
  173.         if num_ranks_in_first_stage > 1:
  174.             distributed_sampler = True
  176.     # TODO: fix random seeds
  177.     train_loader = train_dataset.get_loader(
  178.         batch_size=args.batch_size, seeds=range(args.epochs),
  179.         batch_first=False, shuffle=True,
  180.         bucketing=not args.no_bucketing, num_workers=args.workers,
  181.         world_size=r.num_ranks_in_first_stage,
  182.         rank=r.rank_in_stage if r.stage == 0 else 0
  183.     )
  185.     val_loader = val_dataset.get_loader(
  186.         batch_size=args.batch_size, batch_first=False,
  187.         shuffle=True, num_workers=args.workers,
  188.         world_size=r.num_ranks_in_first_stage,
  189.         seeds=range(args.epochs),
  190.         rank=r.rank_in_stage if r.stage == 0 else 0
  191.     )
  193.     # if checkpoint is loaded, start by running validation
  194.     if args.resume:
  195.         assert args.start_epoch > 0
  196.         validate(val_loader, r, args.start_epoch-1)
  198.     # 進行訓練，儲存checkpoint
  199.     for epoch in range(args.start_epoch, args.epochs):
  200.         if distributed_sampler:
  201.             train_loader.sampler.set_epoch(epoch)
  202.         adjust_learning_rate(optimizer, epoch, args.epochs, r, args.lr_policy)
  204.         # train or run forward pass only for one epoch
  205.         if args.forward_only:
  206.             validate(val_loader, r, epoch)
  207.         else:
  208.             train(train_loader, r, optimizer, epoch)
  210.             # evaluate on validation set
  211.             prec1 = validate(val_loader, r, epoch)
  212.             if r.stage != r.num_stages: prec1 = 0
  214.             # remember best prec@1 and save checkpoint
  215.             best_prec1 = max(prec1, best_prec1)
  217.             should_save_checkpoint = args.checkpoint_dir_not_nfs or r.rank_in_stage == 0
  218.             if args.checkpoint_dir and should_save_checkpoint:
  219.                 save_checkpoint({
  220.                     'epoch': epoch + 1,
  221.                     'arch': args.arch,
  222.                     'state_dict': r.state_dict(),
  223.                     'best_prec1': best_prec1,
  224.                     'optimizer' : optimizer.state_dict(),
  225.                     'tokenizer': tokenizer.get_state()
  226.                 }, args.checkpoint_dir, r.stage, epoch)

3.2 訓練函式

我們下面看看訓練函式 train 程式碼

  • 首先進入啟動熱身階段，需要一直執行到 輸出完成第一個小批次的前向傳播，對應上圖的 Startup State。
  • 然後開始交替執行後續小批次的前向傳播和後向傳播，從此時開始，進入到上圖的 Steady State，在每個階段之中，對於每一個小批次：
    • 實施前向傳播，目的是把minibatch推送到下游worker。這就是 1F。
    • 如果是最後階段，則更新損失。
    • 梯度清零。
    • 載入儲存的權重。
    • 後向傳播。這就是 1B。
    • 恢復最新權重。目前在本step內，就完成了 1F1B。
    • 進行下一次step。
  • 最後是剩餘的後向傳播，對應著熱身階段的前向傳播。
  1. def train(train_loader, r, optimizer, epoch):
  2.     batch_time = AverageMeter()
  3.     losses = AverageMeter()
  4.     top1 = AverageMeter()
  5.     top5 = AverageMeter()
  7.     # switch to train mode
  8.     n = r.num_iterations(loader_size=len(train_loader))
  9.     if args.num_minibatches is not None:
  10.         n = min(n, args.num_minibatches)
  11.     r.train(n)
  12.     if not is_first_stage(): train_loader = None
  13.     r.set_loader(train_loader)
  15.     end = time.time()
  16.     epoch_start_time = time.time()
  18.     if args.no_input_pipelining:
  19.         num_warmup_minibatches = 0
  20.     else:
  21.         num_warmup_minibatches = r.num_warmup_minibatches
  23.     # start num_warmup_minibatches forward passes
  24.     # 啟動熱身階段，需要一直執行到 輸出完成第一個小批次的前向傳播，對應上圖的Start State。
  25.     for i in range(num_warmup_minibatches):
  26.         r.run_forward() # 前向傳播，就是1F
  28.     # 開始交替執行後續小批次的前向傳播和後向傳播，從此時開始，進入到上圖的 Steady State。
  29.     for i in range(n - num_warmup_minibatches):
  30.         # perform forward pass
  31.         r.run_forward() #前向傳播，就是1F
  33.         if is_last_stage(): # 最後階段
  34.             # measure accuracy and record loss
  35.             output, target, loss, num_tokens = r.output, r.target, r.loss.item(), r.num_tokens()
  36.             losses.update(loss, num_tokens) # 更新損失
  38.             # measure elapsed time
  39.             batch_time.update(time.time() - end)
  40.             end = time.time()
  41.             epoch_time = (end - epoch_start_time) / 3600.0
  42.             full_epoch_time = (epoch_time / float(i+1)) * float(n)
  43.         else:
  44.             # print log，省略
  46.         # perform backward pass
  47.         if args.fp16:
  48.             r.zero_grad() # 梯度清零
  49.         else:
  50.             optimizer.zero_grad() # 梯度清零
  52.         optimizer.load_old_params() # 載入 stash weight
  54.         r.run_backward() # 後向傳播，就是1B
  56.         optimizer.load_new_params() # 恢復新的weight
  58.         optimizer.step() # 下一次訓練，同時更新引數
  60.     # finish remaining backward passes
  61.     # 最後剩餘的後向傳播，對應著熱身階段的前向傳播
  62.     for i in range(num_warmup_minibatches):
  63.         optimizer.zero_grad()
  64.         optimizer.load_old_params() # 載入 stash weight
  65.         r.run_backward() # 後向傳播，就是1B
  66.         optimizer.load_new_params() # 恢復新的weight
  67.         optimizer.step() # 下一次訓練
  69.     # wait for all helper threads to complete
  70.     r.wait()

上面引數的 r 是 StageRuntime 型別，所以我們看看其中的run_forward和run_backward。

3.3 前向傳播

以下是 StageRuntime 類的 run_forward 方法 和 _run_forward 方法，這兩個方法完成了前向傳播。

  1.    def run_forward(self, recompute_step=False):
  2.         """Run forward pass.
  3.         """
  4.         # Receive tensors from previous worker.
  5.         self.receive_tensors_forward() # 接受上一階段的張量
  6.         tensors = self.tensors[-1]
  8.         # Run forward pass.
  9.         self._run_forward(tensors) # 進行本階段前向傳播計算
  11.         # Send tensors forward.
  12.         self.send_tensors_forward() # 傳送給下一階段
  13.         self.forward_stats.reset_stats()
  14.         self.forward_minibatch_id += 1
  16.     def _run_forward(self, tensors):
  17.         # Perform forward pass through model (self.modules_with_dependencies already
  18.         # has modules in topological order).
  20.         # 得到module和對應的輸入，輸出
  21.         modules = self.modules_with_dependencies.modules()
  22.         all_input_names = self.modules_with_dependencies.all_input_names()
  23.         all_output_names = self.modules_with_dependencies.all_output_names()
  25.         # 遍歷模組
  26.         for i, (module, input_names, output_names) in \
  27.                 enumerate(zip(modules, all_input_names, all_output_names)):
  28.             if i == (len(modules) - 1) and self.is_criterion:
  29.                 # 如果是計算損失
  30.                 # If layer is criterion (loss).
  31.                 if self.model_type == SPEECH_TO_TEXT:
  32.                     output = tensors["output"].transpose(0, 1).float()
  33.                     output_sizes = tensors["output_sizes"].cpu()
  34.                     target = tensors["target"].cpu()
  35.                     target_sizes = tensors["target_length"].cpu()
  36.                     input0_size = tensors["input0_size"].cpu()
  37.                     module_outputs = [module(output, target, output_sizes, target_sizes) / input0_size[0]]
  38.                 else:
  39.                     module_outputs = [module(tensors[input_name],
  40.                                              tensors["target"])
  41.                                       for input_name in input_names]
  42.                     module_outputs = [sum(module_outputs)]
  43.             else:
  44.                 # 中間層
  45.                 # If layer is non-criterion.
  46.                 module_outputs = module(*[tensors[input_name]
  47.                                           for input_name in input_names])
  48.                 if not isinstance(module_outputs, tuple):
  49.                     module_outputs = (module_outputs,)
  50.                 module_outputs = list(module_outputs)
  52.             # 把計算結果放入tensors之中，這樣後續就知道如何傳送
  53.             for (output_name, module_output) in zip(output_names, module_outputs):
  54.                 tensors[output_name] = module_output
  56.         self.output = tensors[input_names[0]]
  57.         # 如果是最後階段，則做處理
  58.         if self.is_criterion and self.model_type == TRANSLATION:
  59.             loss_per_batch = tensors[output_names[0]] * tensors[self.criterion_input_name].size(1)
  60.             loss_per_token = loss_per_batch / tensors["target_length"][0].item()
  61.             self.loss = loss_per_token
  62.         elif self.is_criterion:
  63.             self.loss = tensors[output_names[0]]
  64.         else:
  65.             self.loss = 1

3.4 反向傳播

執行引擎的 run_backward 完成了後向計算。

  1.     def run_backward(self):
  2.         # Receive input gradients needed for backward pass.
  3.         self.receive_tensors_backward() # 從反向計算圖上一層接受梯度
  5.         # Backward pass through modules in reverse order.
  6.         inputs = {}
  7.         outputs = {}
  8.         input_gradients = {}
  9.         output_gradients = {}
  11.         # Get input and output names spanning all modules in this stage.
  12.         all_input_names_set = set()
  13.         all_output_names_set = set()
  15.         # 得到module和對應的輸入，輸出
  16.         modules = self.modules_with_dependencies.modules()
  17.         all_input_names = self.modules_with_dependencies.all_input_names()
  18.         all_output_names = self.modules_with_dependencies.all_output_names()
  20.         for (input_names, output_names) in zip(all_input_names, all_output_names):
  21.             for input_name in input_names:
  22.                 all_input_names_set.add(input_name)
  23.             for output_name in output_names:
  24.                 all_output_names_set.add(output_name)
  26.         tensors = self.tensors.pop(0)
  27.         # Set inputs, outputs, and output_gradients.
  28.         # Only set outputs/output_gradients for tensors that are not inputs of
  29.         # other modules in this stage.
  30.         # Similarly, only set inputs for tensors that are not outputs of other
  31.         # modules in this stage.
  32.         for (module, input_names, output_names) in \
  33.             zip(reversed(modules), reversed(all_input_names), reversed(all_output_names)):
  34.             for output_name in output_names:
  35.                 if output_name not in all_input_names_set:
  36.                     if output_name not in self.gradients:
  37.                         output_gradients[output_name] = None
  38.                     else:
  39.                         # 計算梯度記錄在這裡
  40.                         output_gradients[output_name] = self.gradients[output_name]
  41.                     if tensors[output_name].requires_grad:
  42.                         outputs[output_name] = tensors[output_name]
  43.             for input_name in input_names:
  44.                 if input_name not in all_output_names_set:
  45.                     inputs[input_name] = tensors[input_name]
  47.         # Hook to record input gradients.
  48.         def hook_wrapper(input_name):
  49.             def hook(input_gradient):
  50.                 input_gradients[input_name] = input_gradient
  51.             return hook
  53.         for input_name in inputs:
  54.             if input_name != "input0" and input_name != "input1" and input_name != "input2" \
  55.                     and inputs[input_name].requires_grad:
  56.                 inputs[input_name].register_hook(hook_wrapper(input_name))
  58.         if "loss" in outputs:
  59.             outputs["loss"] *= self.loss_scale
  61.         # Perform backward pass.
  62.         # 進行反向傳播，output_gradients
  63.         # outputs 就是要計算梯度的張量，output_gradients就是計算出來的梯度
  64.         torch.autograd.backward(tuple([outputs[output_name] for output_name in outputs]),
  65.                                 grad_tensors=tuple([output_gradients[output_name]
  66.                                                     for output_name in outputs]))
  68.         # Input tensors don't need gradients.
  69.         for input_name in inputs:
  70.             if not inputs[input_name].requires_grad:
  71.                 self.gradients[input_name] = inputs[input_name]
  72.                 continue
  74.             if input_name != "input0" and input_name != "input1" and input_name != "input2" and input_name != "input":
  75.                 self.gradients[input_name] = input_gradients[input_name]
  77.         # Send output gradients.
  78.         self.send_tensors_backward() # 傳送梯度（self.gradients）給反向圖的下一層
  80.         if self.verbose_freq > 0 and self.backward_minibatch_id % self.verbose_freq == 0:
  81.             self.backward_stats.print_stats()
  82.         self.backward_stats.reset_stats()
  83.         self.backward_minibatch_id += 1

我們藉助前文的圖，再加深一下印象。

傳送邏輯：

  1.  StageRuntime            CommunicationHandler              send_helper_thread
  3.       +                           +                                 +
  4.       |                           |                                 |
  5.       | 1                         |                                 |
  6.       v                           |                                 |
  7.  run_backward                     |                                 |
  8.       |                           |                                 |
  9.       | 2                         |                                 |
  10.       |                           |                    wait on backward_send_queues
  11.       v                  3        v                                 |
  12. send_tensors_backward +--------> send                               |
  13.                                   |                                 |
  14.                                   |                                 |
  15.                                   |  4                              |
  16.                                   v               5                 v
  17.                backward_send_queues.add(tensor) +----> tensor = queue.remove()
  18.                                                 notify              |
  19.                                                                     |
  20.                                                                     | 6
  21.                                                                     v
  22.                                                                   _send
  23.                                                                     |
  24.                                                                     | 7
  25.                                                                     |
  26.                                                                     v
  27.                                                                  dist.send

接受邏輯：

  1.     StageRuntime             CommunicationHandler           recv_helper_thread
  2.           +                            +                            +
  3.           |                            |                            |
  4.           | 1                          |                            |
  5.           |                            |                            | 4
  6.           v                            |                            v
  7.     run_backward                       |                         _recv
  8.           |                            |                            |
  9.           |                            |                            |
  10.           |                            |                            | 5
  11.           |                            |                            |
  12.           | 2                          |                            v
  13.           |                            |                  dist.recv / dist.broadcast
  14.           |                            |                            |
  15.           v                  3         v                            |
  16. receive_tensors_backward +--------->  recv                          |
  17.           +                            |                            |
  18.           |                            |                            |
  19.           |                            |                            |
  20.           |                            |                            |
  21.           |                            v                            |
  22.           |                 backward_receive_queues.remove()        |
  23.           |                            |                            |
  24.           |                            |                            |
  25.           |                            |                            |
  26.           |                            |                            |
  27.           |               wait on backward_receive_queues           |
  28.           |                            |                            |
  29.           |                            |                            |
  30.           |                            |                            |
  31.           |                            |                 6          v
  32.           |                  backward_receive_queues <-------+ queue.add(tensor)
  33.           |                            |               notify
  34.           |                            |  7
  35.           v                  3 return  |
  36. gradients[output_name] <---------------+

3.5 Weight Stashing

Weight Stashing 是由OptimizerWithWeightStashing實現的。

下面省略了很多次要程式碼，訓練時候呼叫了 load_old_params 和 load_new_params。

  1. class OptimizerWithWeightStashing(torch.optim.Optimizer):
  2.     """Wrapper class that adds weight stashing to a vanilla torch.optim.Optimizer.
  4.     Arguments:
  5.         - optim_name: the name of optimizer, required to create the corresponding
  6.                       base_optimizer (torch.optim.{optim_name}).
  7.         - optimizer_args: the keyword arguments passed to base_optimizer.
  8.     """
  10.     def __init__(self, optim_name, modules, master_parameters, model_parameters,
  11.                  loss_scale, num_versions, verbose_freq=0, macrobatch=False,
  12.                  **optimizer_args):
  13.         self.modules = modules
  14.         self.master_parameters = master_parameters
  15.         self.model_parameters = model_parameters  # model_parameters is None if not fp16.
  16.         self.loss_scale = loss_scale
  18.         # Only need at most 2 versions if using macrobatching.
  19.         if macrobatch:
  20.             num_versions = min(2, num_versions)
  21.         self.num_versions = num_versions
  22.         self.base_optimizer = getattr(torch.optim, optim_name)(
  23.             master_parameters, **optimizer_args)
  24.         self.latest_version = Version()
  25.         self.current_version = Version()
  26.         self.initialize_queue()
  27.         self.verbose_freq = verbose_freq
  28.         self.batch_counter = 0
  30.         # If macrobatching, push and pop versions at the right rate.
  31.         if macrobatch:
  32.             self.update_interval = self.num_versions
  33.         else:
  34.             self.update_interval = 1
  36.     def initialize_queue(self):
  37.         self.queue = deque(maxlen=self.num_versions)
  38.         for i in range(self.num_versions):
  39.             self.queue.append(self.get_params(clone=True))
  40.         self.buffered_state_dicts = self.queue[0][0] # stash weght變數
  42.     def load_old_params(self):
  43.         if self.num_versions > 1:
  44.             self.set_params(*self.queue[0]) #找到最初的舊weight
  46.     def load_new_params(self):
  47.         if self.num_versions > 1:
  48.             self.set_params(*self.queue[-1]) # 載入最新的weight
  50.     def zero_grad(self): # 用來reset
  51.         if self.batch_counter % self.update_interval == 0:
  52.             self.base_optimizer.zero_grad()
  54.     def step(self, closure=None):
  55.         """Performs a single optimization step.
  57.         Arguments:
  58.             closure (callable, optional): A closure that reevaluates the model
  59.                                           and returns the loss.
  60.         """
  61.         # 每 update_interval個 steps更新一次梯度
  62.         if self.batch_counter % self.update_interval != self.update_interval - 1:
  63.             self.batch_counter += 1
  64.             return None
  66.         # 省略程式碼
  68.         self.latest_version = self.latest_version.incr() # 因為多訓練了一步，所以增加版本號
  69.         if self.num_versions > 1:
  70.             self.buffered_state_dicts = self.queue[0][0]
  71.             self.queue.append(self.get_params(clone=False)) # 把新的變數存進去
  73.         self.batch_counter += 1
  74.         return loss

0xFF 參考

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