PyTorch 中的多 GPU 训练和梯度累积作为替代方案

简介: PyTorch 中的多 GPU 训练和梯度累积作为替代方案

动动发财的小手,点个赞吧!

在本文中,我们将首先了解数据并行(DP)和分布式数据并行(DDP)算法之间的差异,然后我们将解释什么是梯度累积(GA),最后展示 DDP 和 GA 在 PyTorch 中的实现方式以及它们如何导致相同的结果。

简介

训练深度神经网络 (DNN) 时,一个重要的超参数是批量大小。通常,batch size 不宜太大,因为网络容易过拟合,但也不宜太小,因为这会导致收敛速度慢。

当处理高分辨率图像或占用大量内存的其他类型的数据时,假设目前大多数大型 DNN 模型的训练都是在 GPU 上完成的,根据可用 GPU 的内存,拟合小批量大小可能会出现问题。正如我们所说,因为小批量会导致收敛速度慢,所以我们可以使用三种主要方法来增加有效批量大小:

  1. 使用多个小型 GPU 在小批量上并行运行模型 — DP 或 DDP 算法
  2. 使用更大的 GPU(昂贵)
  3. 通过多个步骤累积梯度

现在让我们更详细地了解 1. 和 3. — 如果您幸运地拥有一个大型 GPU,可以在其上容纳所需的所有数据,您可以阅读 DDP 部分,并在完整代码部分中查看它是如何在 PyTorch 中实现的,从而跳过其余部分。

假设我们希望有效批量大小为 30,但每个 GPU 上只能容纳 10 个数据点(小批量大小)。我们有两种选择:数据并行或分布式数据并行:

数据并行性 (DP)

首先,我们定义主 GPU。然后,我们执行以下步骤:

  1. 将 10 个数据点(小批量)和模型的副本从主 GPU 移动到其他 2 个 GPU
  2. 在每个 GPU 上进行前向传递并将输出传递给主 GPU
  3. 在主 GPU 上计算总损失,然后将损失发送回每个 GPU 以计算参数的梯度
  4. 将梯度发送回Master GPU(这些是所有训练示例的梯度平均值),将它们相加得到整批30个的平均梯度
  5. 更新主 GPU 上的参数并将这些更新发送到其他 2 个 GPU 以进行下一次迭代

这个过程存在一些问题和低效率:

  • 数据-从主 GPU 传递,然后在其他 GPU 之间分配。此外,主 GPU 的利用率高于其他 GPU,因为总损失的计算和参数更新发生在主 GPU 上
  • 我们需要在每次迭代时同步其他 GPU 上的模型,这会减慢训练速度

分布式数据并行 (DDP)

引入分布式数据并行是为了改善数据并行算法的低效率。我们仍然采用与之前相同的设置 — 每批 30 个数据点,使用 3 个 GPU。差异如下:

  1. 它没有主 GPU
  2. 因为我们不再拥有主 GPU,所以我们直接从磁盘/RAM 以非重叠方式并行加载每个 GPU 上的数据 — DistributedSampler 为我们完成这项工作。在底层,它使用本地等级 (GPU id) 在 GPU 之间分配数据 - 给定 30 个数据点,第一个 GPU 将使用点 [0, 3, 6, ... , 27],第二个 GPU [1, 4, 7, .., 28] 和第三个 GPU [2, 5, 8, .. , 29]
n_gpu = 3
for i in range(n_gpu):
  print(np.arange(30)[i:30:n_gpu])
  1. 前向传递、损失计算和后向传递在每个 GPU 上独立执行,异步减少梯度计算平均值,然后在所有 GPU 上进行更新

由于DDP相对于DP的优点,目前优先使用DDP,因此我们只展示DDP的实现。

梯度累积

如果我们只有一个 GPU 但仍想使用更大的批量大小,另一种选择是累积一定数量的步骤的梯度,有效地累积一定数量的小批量的梯度,从而增加有效的批量大小。从上面的例子中,我们可以通过 3 次迭代累积 10 个数据点的梯度,以达到与我们在有效批量大小为 30 的 DDP 训练中描述的结果相同的结果。

DDP流程代码

下面我将仅介绍与 1 GPU 代码相比实现 DDP 时的差异。完整的代码可以在下面的一些部分找到。首先我们初始化进程组,允许不同进程之间进行通信。使用 int(os.environ[“LOCAL_RANK”])
我们检索给定进程中使用的 GPU。

init_process_group(backend="nccl")
device = int(os.environ["LOCAL_RANK"])
torch.cuda.set_device(device)

然后,我们需要将模型包装在 DistributedDataParallel 中,以支持多 GPU 训练。

model = NeuralNetwork(args.data_size) 
model = model.to(device) 

if args.distributed:
  model = torch.nn.parallel.DistributedDataParallel(model, device_ids=[device])

最后一部分是定义我在 DDP 部分中提到的 DistributedSampler。

sampler = torch.utils.data.DistributedSampler(dataset)

培训的其余部分保持不变 - 我将在本文末尾包含完整的代码。

梯度累积代码

当反向传播发生时,在我们调用 loss.backward() 后,梯度将存储在各自的张量中。实际的更新发生在调用 optimizationr.step() 时,然后使用 optimizationr.zero_grad() 将张量中存储的梯度设置为零,以运行反向传播和参数更新的下一次迭代。

因此,为了累积梯度,我们调用 loss.backward() 来获取我们需要的梯度累积数量,而不将梯度设置为零,以便它们在多次迭代中累积,然后我们对它们进行平均以获得累积梯度迭代中的平均梯度(loss = loss/ACC_STEPS)。之后我们调用optimizer.step()并将梯度归零以开始下一次梯度累积。在代码中:

ACC_STEPS = dist.get_world_size() # == number of GPUs
# iterate through the data
for i, (idxs, row) in enumerate(loader):
  loss = model(row)  
  # scale loss according to accumulation steps
  loss = loss/ACC_STEPS
  loss.backward()
  # keep accumualting gradients for ACC_STEPS
  if ((i + 1) % ACC_STEPS == 0):
    optimizer.step()  
    optimizer.zero_grad()

代码

import os
os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "0,1"
print(os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"])

import torch
import torch.nn as nn
from torch.utils.data import DataLoader, Dataset, Sampler
import argparse
import torch.optim as optim 
import numpy as np
import random
import torch.backends.cudnn as cudnn
import torch.nn.functional as F

from torch.distributed import init_process_group
import torch.distributed as dist

class data_set(Dataset):

    def __init__(self, df):
        self.df = df

    def __len__(self):
        return len(self.df)

    def __getitem__(self, index):    

        sample = self.df[index]
        return index, sample

class NeuralNetwork(nn.Module):
    def __init__(self, dsize):
        super().__init__()
        self.linear =  nn.Linear(dsize, 1, bias=False)
        self.linear.weight.data[:] = 1.

    def forward(self, x):
        x = self.linear(x)
        loss = x.sum()
        return loss


class DummySampler(Sampler):
    def __init__(self, data, batch_size, n_gpus=2):
        self.num_samples = len(data)
        self.b_size = batch_size
        self.n_gpus = n_gpus

    def __iter__(self):
        ids = []
        for i in range(0, self.num_samples, self.b_size * self.n_gpus):
            ids.append(np.arange(self.num_samples)[i: i + self.b_size*self.n_gpus :self.n_gpus])
            ids.append(np.arange(self.num_samples)[i+1: (i+1) + self.b_size*self.n_gpus :self.n_gpus])
        return iter(np.concatenate(ids))

    def __len__(self):
        # print ('\tcalling Sampler:__len__')
        return self.num_samples




def main(args=None):

    d_size = args.data_size

    if args.distributed:
        init_process_group(backend="nccl")
        device = int(os.environ["LOCAL_RANK"])
        torch.cuda.set_device(device)
    else:
        device = "cuda:0"

    # fix the seed for reproducibility
    seed = args.seed


    torch.manual_seed(seed)
    np.random.seed(seed)
    random.seed(seed)
    cudnn.benchmark = True

    # generate data
    data = torch.rand(d_size, d_size)

    model = NeuralNetwork(args.data_size)    
    model = model.to(device)  

    if args.distributed:
        model = torch.nn.parallel.DistributedDataParallel(model, device_ids=[device])

    optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9)
    dataset = data_set(data)

    if args.distributed:
        sampler = torch.utils.data.DistributedSampler(dataset, shuffle=False)
    else:
        # we define `DummySampler` for exact reproducibility with `DistributedSampler`
        # which splits the data as described in the article. 
        sampler = DummySampler(dataset, args.batch_size)

    loader = DataLoader(
                dataset,
                batch_size=args.batch_size,
                num_workers=0,
                pin_memory=True,
                sampler=sampler,
                shuffle=False,
                collate_fn=None,
            )          

    if not args.distributed:
        grads = []

    # ACC_STEPS same as GPU as we need to divide the loss by this number
    # to obtain the same gradient as from multiple GPUs that are 
    # averaged together
    ACC_STEPS = args.acc_steps 
    optimizer.zero_grad()

    for epoch in range(args.epochs):

        if args.distributed:
            loader.sampler.set_epoch(epoch)

        for i, (idxs, row) in enumerate(loader):

            if args.distributed:
                optimizer.zero_grad()

            row = row.to(device, non_blocking=True) 

            if args.distributed:
                rank = dist.get_rank() == 0
            else:
                rank = True

            loss = model(row)  

            if args.distributed:
                # does average gradients automatically thanks to model wrapper into 
                # `DistributedDataParallel`
                loss.backward()
            else:
                # scale loss according to accumulation steps
                loss = loss/ACC_STEPS
                loss.backward()

            if i == 0 and rank:
                print(f"Epoch {epoch} {100 * '='}")

            if not args.distributed:
                if (i + 1) % ACC_STEPS == 0: # only step when we have done ACC_STEPS
                    # acumulate grads for entire epoch
                    optimizer.step()  
                    optimizer.zero_grad()
            else:
                optimizer.step() 


        if not args.distributed and args.verbose:
            print(100 * "=")
            print("Model weights : ", model.linear.weight)
            print(100 * "=")
        elif args.distributed and args.verbose and rank:
            print(100 * "=")
            print("Model weights : ", model.module.linear.weight)
            print(100 * "=")




if __name__ == "__main__":


    parser = argparse.ArgumentParser()
    parser.add_argument('--distributed', action='store_true',)
    parser.add_argument('--seed', default=0, type=int) 
    parser.add_argument('--epochs', default=2, type=int) 
    parser.add_argument('--batch_size', default=4, type=int) 
    parser.add_argument('--data_size', default=16, type=int) 
    parser.add_argument('--acc_steps', default=3, type=int) 
    parser.add_argument('--verbose', action='store_true',)

    args = parser.parse_args()

    print(args)

    main(args)

总结

在本文中,我们简要介绍并直观地介绍了 DP、DDP 算法和梯度累积,并展示了如何在没有多个 GPU 的情况下增加有效批量大小。需要注意的一件重要事情是,即使我们获得相同的最终结果,使用多个 GPU 进行训练也比使用梯度累积要快得多,因此如果训练速度很重要,那么使用多个 GPU 是加速训练的唯一方法。

相关实践学习
在云上部署ChatGLM2-6B大模型(GPU版)
ChatGLM2-6B是由智谱AI及清华KEG实验室于2023年6月发布的中英双语对话开源大模型。通过本实验,可以学习如何配置AIGC开发环境,如何部署ChatGLM2-6B大模型。
相关文章
|
机器学习/深度学习 PyTorch 测试技术
从训练到推理:Intel Extension for PyTorch混合精度优化完整指南
PyTorch作为主流深度学习框架,凭借动态计算图和异构计算支持,广泛应用于视觉与自然语言处理。Intel Extension for PyTorch针对Intel硬件深度优化,尤其在GPU上通过自动混合精度(AMP)提升训练与推理性能。本文以ResNet-50在CIFAR-10上的实验为例,详解如何利用该扩展实现高效深度学习优化。
664 0
|
缓存 并行计算 PyTorch
PyTorch CUDA内存管理优化:深度理解GPU资源分配与缓存机制
本文深入探讨了PyTorch中GPU内存管理的核心机制,特别是CUDA缓存分配器的作用与优化策略。文章分析了常见的“CUDA out of memory”问题及其成因,并通过实际案例(如Llama 1B模型训练)展示了内存分配模式。PyTorch的缓存分配器通过内存池化、延迟释放和碎片化优化等技术,显著提升了内存使用效率,减少了系统调用开销。此外,文章还介绍了高级优化方法,包括混合精度训练、梯度检查点技术及自定义内存分配器配置。这些策略有助于开发者在有限硬件资源下实现更高性能的深度学习模型训练与推理。
2698 0
|
机器学习/深度学习 并行计算 PyTorch
英伟达新一代GPU架构(50系列显卡)PyTorch兼容性解决方案
本文记录了在RTX 5070 Ti上运行PyTorch时遇到的CUDA兼容性问题,分析其根源为预编译二进制文件不支持sm_120架构,并提出解决方案:使用PyTorch Nightly版本、更新CUDA工具包至12.8。通过清理环境并安装支持新架构的组件,成功解决兼容性问题。文章总结了深度学习环境中硬件与框架兼容性的关键策略,强调Nightly构建版本和环境一致性的重要性,为开发者提供参考。
10334 64
英伟达新一代GPU架构(50系列显卡)PyTorch兼容性解决方案
|
缓存 异构计算 Docker
构建高性能LLM推理服务的完整方案:单GPU处理172个查询/秒、10万并发仅需15美元/小时
本文将通过系统性实验不同的优化技术来构建自定义LLaMA模型服务,目标是高效处理约102,000个并行查询请求,并通过对比分析确定最优解决方案。
1304 0
构建高性能LLM推理服务的完整方案:单GPU处理172个查询/秒、10万并发仅需15美元/小时
|
Kubernetes 调度 异构计算
一文搞懂 GPU 共享方案: NVIDIA Time Slicing
本文主要分享 GPU 共享方案,包括如何安装、配置以及使用,最后通过分析源码了 TImeSlicing 的具体实现。通过配置 TImeSlicing 可以实现 Pod 共享一块物理 GPU,以提升资源利用率。
899 11
|
机器学习/深度学习 人工智能 物联网
MiniMind:2小时训练出你的专属AI!开源轻量级语言模型,个人GPU轻松搞定
MiniMind 是一个开源的超小型语言模型项目,帮助开发者以极低成本从零开始训练自己的语言模型,最小版本仅需25.8M参数,适合在普通个人GPU上快速训练。
3557 10
MiniMind:2小时训练出你的专属AI!开源轻量级语言模型,个人GPU轻松搞定
|
并行计算 PyTorch 算法框架/工具
融合AMD与NVIDIA GPU集群的MLOps:异构计算环境中的分布式训练架构实践
本文探讨了如何通过技术手段混合使用AMD与NVIDIA GPU集群以支持PyTorch分布式训练。面对CUDA与ROCm框架互操作性不足的问题,文章提出利用UCC和UCX等统一通信框架实现高效数据传输,并在异构Kubernetes集群中部署任务。通过解决轻度与强度异构环境下的挑战,如计算能力不平衡、内存容量差异及通信性能优化,文章展示了如何无需重构代码即可充分利用异构硬件资源。尽管存在RDMA验证不足、通信性能次优等局限性,但该方案为最大化GPU资源利用率、降低供应商锁定提供了可行路径。源代码已公开,供读者参考实践。
1729 3
融合AMD与NVIDIA GPU集群的MLOps:异构计算环境中的分布式训练架构实践
|
机器学习/深度学习 人工智能 PyTorch
使用PyTorch实现GPT-2直接偏好优化训练:DPO方法改进及其与监督微调的效果对比
本文将系统阐述DPO的工作原理、实现机制,以及其与传统RLHF和SFT方法的本质区别。
1759 22
使用PyTorch实现GPT-2直接偏好优化训练:DPO方法改进及其与监督微调的效果对比
|
存储 机器学习/深度学习 PyTorch
PyTorch Profiler 性能优化示例:定位 TorchMetrics 收集瓶颈,提高 GPU 利用率
本文探讨了机器学习项目中指标收集对训练性能的影响,特别是如何通过简单实现引入不必要的CPU-GPU同步事件,导致训练时间增加约10%。使用TorchMetrics库和PyTorch Profiler工具,文章详细分析了性能瓶颈的根源,并提出了多项优化措施
977 1
PyTorch Profiler 性能优化示例:定位 TorchMetrics 收集瓶颈,提高 GPU 利用率

热门文章

最新文章

推荐镜像

更多