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本场技术沙龙回顾链接：深度学习框架实战——TensorFlow
演讲嘉宾简介：
游亮（昀龙），阿里云高级技术专家，阿里云高性能人工智能团队负责人，阿里云异构计算、超级计算集群产品架构师，获得过多项专利。拥有近10年高性能计算研发和优化经验，精通针对X86 CPU、Intel Xeon Phi、GPU等微架构的计算性能优化以及网络、存储等系统性能优化。
以下内容根据演讲嘉宾视频分享以及PPT整理而成。
本次的分享主要围绕以下三个方面：
一、TensorFlow系统架构
二、TensorFlow实战
三、一键构建高性能TensorFlow服务
一、TensorFlow系统架构
TensorFlow可能大家都很了解，它是Google开源的用于机器学习和深度学习的框架，自推出开始便深受广大机器学习开发者的欢迎，目前也是最流行的机器学习框架。它是基于数据计算图（data flow graphs）的框架，可用于大规模机器学习。
下图是整个TensorFlow框架流程，其中结点（nodes）表示数学计算，边（edges）表示结点之间的相互联系，即张量（tensor）。
TensorFlow有以下四个特点：
1. 支持跨平台计算：只需编写一遍代码，就可以无缝运行在台式机、服务器、移动设备的CPU或GPU上
2. 架构灵活：支持各种神经网络类型，具有很好的通用性
3. 可扩展性：通过对OP的扩展支持，能够扩展不同的功能
4.多语言支持：支持使用C++/Python/Java构建和执行计算图
TensorFlow的系统架构如下图所示，它是以C API为分界线，将系统分为前端和后端2个系统。其中，前端系统负责提供编程模型，可以让用户构造复杂的计算图，支持C++/Python/Java等编程语言；后端系统负责把前端构建的计算图分解在后端的运行时环境执行，后端系统分为四个组件，分别是分布式运行时、Kernel实现、网络层和设备层，其中分布式运行时又分为三个子组件，即Distributed Master、Work Service和Dadaflow Executor。Distributed Master将来自前端的计算图进行分割分成割计算子图，分配到不同设备的Worker上，Worker拿到计算子图后会根据设备的情况选择最优的Kernel实现，不同设备之间会通过网络层进行数据通讯，网络层支持gRPC和RDMA这两种通讯方式，设备层支持CPU和GPU两种不同的加速设备。大家也可以通过OP来扩展支持更多的设备，如FPGA等。
TensorFlow具体的执行流程（下图）包括以下几个步骤：
1. 前端系统提供基于计算图的的编程模型，用户可以使用多种语言构建各种复杂的计算图
2. 前端通过session作为桥梁，将构建好的计算图传递给后端系统
3. 后端系统的Master反向遍历计算图，将计算图分成最小子图，再将子图分配给不同的Worker(Work Service)。
4. 通常每个worker会运行在一个单独的设备上，如果计算图的边被Worker分割，Master将会在这2个任务间插入Send和Recv节点，实现数据传递
5. Worker处理来自Master的请求，并调度OP的Kernel实现，执行本地子图
需要注意的是，TensorFlow会对Send和Recv通信优化，具体方式是使用cudaMemcpyAsync给CPU和GPU之间传输数据，对于本地在一个Socket上的GPU，会直接调用GPU Direct做GPU之间数据交换，避免从CPU昂贵的拷贝；另外对于跨节点的数据传输上，TensorFlow支持gRPC over Ethernet和RDMA over Converged Ethernet。RDMA over Converged Ethernet简称RoCE，RoCE的好处是通信延迟比TCP低10倍甚至几十倍的量级，同时RoCE的网络可以实现分布式计算的扩展性，阿里云后续会提供支持RoCE的超级计算集群产品。
Kernel实现部分目前TensorFlow的运行时包括超过200个标准的OP，包括数值计算、多维数组操作、状态管理、控制流等；每个OP都会根据设备类型都实现优化的Kernel，如CPU有CPU的优化实现，GPU有GPU的优化实现，运行时会根据本地运行设备选择优化的Kernel;大多数Kernel基于Eigen::Tensor实现，也可以直接使用cuDNN实现在GPU上运行的更高效的Kernel。
XLA(Accelerated Linear Algebra/加速线性代数)是TensorFlow新增的很重要的一个功能，它支持使用JIT编译技术分析用户运行时创建的计算图，如分析哪些计算图可以做融合，哪地方可以做性能优化；XLA可以实现将多个OP融合在一个Kernel里，并生成本地设备的高效执行代码，例如下图中softmax的计算图，如果每个OP执行一次Kernel，需要很多次Kernel启动，执行缓慢，XLA通过分析，将多个OP（matmul, add和ReLU）合并为融合子图，节省很多次的Kernel调用，只需要一次Kernel启动，并且节省了很多中间数组的读写，一方面可以节省显存，一方面可以提高计算的性能；另外，XLA通过增加自定义后端，能够更容易支持新的设备，如支持不同的GPU、手机或嵌入式设备等。
同时，TensorFlow支持多机多卡并行训练。通常一个模型在一张卡上需要一周、一个月甚至几个月的来训练成为精度非常高的模型。TensorFlow多机多卡并行训练指的是在多机多卡上同时训练一个模型，这样可以大大降低模型训练的时间。
它支持两种训练模式：
第一种是数据并行，即所有节点都有模型完整副本，前提是模型能在GPU的显存中放得下，数据在不同节点间切分。数据并行又分为两种方式，一种是同步数据并行，即PS等每个计算节点上传的梯度都到齐后再更新全局模型，这种方式的优点是可以保证计算和收敛的精确度，缺点是需要等所有的结点训练完成后才能进入下一轮的训练迭代；所以出现了数据并行的另一种方式异步数据并行，即PS只要等到单个计算节点梯度出来了就直接更新全局模型，它的优点是可扩展性比较好，所有的结点都会满负载的运行，缺点是迭代的速度会变慢。
第二种是模型并行，如果模型太大，通常单个节点存不下完整副本，这样的话需要对大的模型进行切分，切分后的小模型放到不同的GPU计算结点上执行。一个迭代的样本需要在不同节点上执行，节点之间也需要有模型间的数据交换。
二、TensorFlow实战
接下来将以机器学习中比较经典的一个案例——MNIST手写识别来为大家介绍TensorFlow实战，具体的实现步骤如下：
1. 数据准备：首先需要准备训练一系列大小为28x28的手写灰度图像，写的0-9中的某个数字，代码在Tensorflow的例子里都可以找到（mnist.py和fully_connected_feed.py），需要的数据通过input_data.read_data_sets指令进行下载，即data_sets = input_data.read_data_sets(FLAGS.train_dir, FLAGS.fake_data)，所下载的数据集和主要目的如下表所示。
这里要提到一个概念，即占位符，它需要后续作为输入数据的张量，定义数据类型和shape参数，占位符的定义通过用tf.placeholder来实现。在训练循环（training loop）中，可以通过feed_dict将输入数据通过占位符传入sess.run()函数，这样的话可以为整个训练的计算图增加训练的数据。
2. 构建推理图：通过Variable定义张量，再通过truncated_nromal初始化权值矩阵，生成指定平均值和标准方差的正态分布，然后构建一个神经网络，构建的神经网络包括两个隐藏层即和一个输出层，分别是：
hidden1 = relu(images * weights + biases)
hidden2 = relu(hidden1 * weights + biases)
logits = hidden2 * weights + biases
通过上述两个隐藏层和一个输出层可以构建出如下的计算图。
3. 构建训练OP：首先定义损失函数loss，我们希望训练的时候输出向标注的标签靠拢。具体是将labels转换成1-hot的Tensor：onehot_labels，如果labels=3，则转换成[0,0,0,1,0,0,0,0,0,0]。然后是交叉熵cross_entropy，求推理的输出logits和onehot_labels的交叉熵，损失函数Loss定义为该交叉熵的平均值。通过下图中tf.resuce_mean求得，返回值即为loss的值。训练的目标是loss越少越好，需要在训练过程中监控loss的损失，loss降低的情况。
继而训练OP和可视化，该过程中需要获取损失函数loss，写入scalar_summary，会在TensorBoard中展示。再用learning rate (学习率)实例化一个梯度下降的optimizer，Global_step保存全局训练迭代步，训练的目标是loss越小越好，通过调用train_op = optimizer.minize(loss)，返回train_op。train_op是整个训练需要执行的计算图，下图是构建好的一个OP。
4. 模型训练：需要将之前所构建的所有train_op开始执行，TensorFlow执行时所有构建操作都要默认的tf.Graph()全局实例关联起来，首先定义一个tf.Graph()的as_default()，后面所有的结点都会往Graph里增加计算的节点。然后定义创建运行的Session，sess = tf.Session()，用于运行计算图，然后通过initialize_all_variables，所有tf.Variable实例都会初始化；最后控制训练步数，通过sess.run(train_op)开始执行训练。
接下来需要向计算图提供feed输入数据，先通过fill_feed_dict查询data_sets，获得下一批batch_size的图像和标签；然后以占位符为哈希键，以feed tensor为键值创建feed tensor，作为feed_dict参数传入session.run中，通过这种方式为训练过程提供输入样本；执行训练的session，需要3个输入[train_op, loss], feed_dict，每次训练迭代返回loss_value。
5. Checkpoint：用来解决训练过程异常的问题，如训练一段时间后进程异常退出，通过使用Checkpoint可以保存训练过程中的中间模型，后续可以直接从中间模型开始训练。具体过程是：首先实例化一个train.Saver()，然后保存当前sess的模型，指定保存地址和迭代步，后续可以从保存地址中restore到指定的sess中继续训练。
6. 训练可视化：TensorFlow自带TensorBoard功能，它可以将之前通过summaries指定的一些即时数据进行实时的展示。具体的过程是首先需要调用merge_all_summaries把所有即时数据都合并至一个操作中，然后通过SummaryWriter往事件文件中写入图本身和最新的即时数据，每次执行summary_op，都会写入最新的即时数据，再通过add_summary将summary_op执行的返回值加入到最新日志里，这样就会在TensorBoard中实时显示出来。通过TensorBoard功能可以看到训练过程中loss的下降情况和其他需要监视的数据。
三、一键构建高性能Tensorflow服务
接下来将介绍如何构建高性能的TensorFlow服务。目前Tensorflow分布式性能很差，Tensorflow分布式部署困难，需要很多配置和控制启动顺序，如配置不同的结点的角色是PS还是worker，PS或worker的index是多少。为了解决该问题，阿里云推出了高性能Tensorflow服务，针对云计算虚拟化环境对分布式Tensorflow做了深度性能优化，并打入到Docker容器镜像里开放出来，容器镜像的地址是registry.cn-beijing.aliyuncs.com/ai_beijing/deep_learning:v0.6.3，目前的版本是0.6.3，后续会对版本进行持续更新；同时基于GPU云服务器和Docker容器服务，一键部署高性能Tensorflow分布式训练。
构建步骤如下：
1. 创建容器集群I
1）进入阿里云官网，选择“产品”-> “容器服务”；
2) 在详情页点击“管理控制台”，进入容器服务的控制台页面；
3) 在左边栏点击“集群”-> “创建Swarm集群”。
2. 创建容器集群II
1) “集群名称”填写：tensorflow-cluster；
2) “地域”选择“华北5”，因为华北5的GPU云服务器有特惠；
3) 网络类型选择“专有网络”，其他的默认。这里要注意一点，如果专有网络中没有VPC网络的话，用户需要手动创建VPC网络，然后手动创建虚拟的交换机。
3. 创建节点
1) 点击“创建节点”，“操作系统”选择“Ubuntu 16.04 64位”；
2) “实例系列”选择“系列III”，“实例类型”选择“GPU计算型gn5”；
3) “实例规格”选择“ecs.gn5-c8g1.4xlarge”（这是双卡实例：2xP100 GPU、vCPU 16核心、Memory 120GB，当然用户也可以选择别的实例）；
4) “实例数量”自选，因为要创建分布式训练，所以至少需要2台实例，当前创建了4台；
5) 点击“创建集群”，等待集群创建成功，创建完成后会显示所创建集群的基本信息，包括集群名称、集群和结点的健康状态等。
4. 创建应用
1) 点击侧边栏的“应用”，选择刚才创建的集群，点击“创建应用；
2) “应用名称”填一个应用名；
3) “部署集群”选刚才创建的集群，点“使用编排模板创建”，
可以在编排模板中事先创建好要使用的模板，后续可以直接使用编排模板创建需要的应用。
4) 这里选择的是service类型的应用，有两种服务类型，即mpihead和mpinode，因为要构建mpi分布式训练。Mpihead的environment里端口号选33，区别于端口号22，需要使用的network_mode是host网络，该网路是高性能无损的网络，image填的是之前创建的关于deep learning的一个容器的镜像，因为目前选的实例类型每个结点GPU卡是两张，所以labels可以加aliyun.gpu=2，mpihead只需要一个实例，所以aliyun.scale=1。mpinode和mpihead的配置方式基本类似，不同的是mpinode的实例的scale是3，因为总共创建了4个结点，一个结点用来做头节点，3个节点用来做计算节点。
5. 查看创建的应用
1) 点击“查看应用列表”；
2) 点击刚创建的应用进去看看“服务列表”里的2个服务mpihead, mpinode是否运行正常。
6. 执行单机多卡训练
1) 点击“mpihead”，再点击“远程终端”，进入mpihead容器的控制台；
2) 执行ls，在当前目录下，benchmark里有ResNet-50的Tensorflow分布式代码；
3) start.sh是每次容器拉起来都会执行的脚本，会修改ssh的端口号和启动sshd，大家也可以加入更多的启动时需要初始化的一些脚本；
4) hvd-local.sh会执行单机多卡的训练程序；
5) hvd-distribute.sh会执行多机多卡训练程序；
6) 执行./hvd-local.sh 1或者2，会执行单机1卡或者2卡的训练程序。下图是训练的一个结果，可以看到单机的ResNet-50的训练结果是221.4 images/sec，双卡的训练结果是442.37 images/sec，双卡加速比基本上是符合预期的。
7. 执行多机多卡训练
1) 点击左侧栏的“节点”，获取当前集群tensorflow-cluster的所有节点的IP地址，填入到mpihead远程终端的hosts文件中；
2) 编辑hvd-distribute.sh文件，打开该文件可以看到一个mpi典型的执行命令，-np后面填分布式训练所有的GPU卡数（这里填4台*2卡=8）；
3) -npernode后面填每台节点的GPU卡数（这里每台是2卡）；
4) 保存后执行./hvd-distribute.sh就会运行4机一共8卡的分布式训练，如下图所示。
8. 运行结果
1) 下图是本Demo运行的ResNet-50模型分布训练性能：2机一共4块P100 GPU比单卡的加速比可以达到3.7倍，并行效率可达到92.5%；4机一共8块P100 GPU比单卡的加速比可以达到7.3倍，并行效率可以达到91.2%。
2) 我们也在持续优化基于GPU云服务器的Tensorflow分布式训练性能，目前ImageNet真实数据运行的ResNet-50模型性能加速比见下图：其中2机一共16块P100 GPU比单卡的加速比可以达到14.9倍，并行效率可达到93.1%；4机一共32块P100 GPU比单卡的加速比可以达到28.9倍，并行效率可以达到90.3%。
本文由云栖志愿小组李杉杉整理，编辑百见
