分布式GPU训练优秀实践

开始优化您的GPU分布式训练任务

PaddlePaddle Fluid支持在现代GPU [1] 服务器集群上完成高性能分布式训练。通常可以通过以下方法优化在多机多卡环境训练性能,建议在进行性能优化时,检查每项优化点并验证对应提升,从而提升最终的性能。

一个简单的验证当前的训练程序是否需要进一步优化性能的方法,是查看GPU的计算利用率 [2] ,通常用 nvidia-smi 命令查看。如果GPU利用率较低,则可能存在较大的优化空间。下面主要从数据准备、训练策略设置和训练方式三个方面介绍GPU分布式训练中常用的优化方法。

1、数据准备

数据读取的优化在GPU训练中至关重要,尤其在不断增加batch_size提升吞吐时,计算对reader性能会有更高对要求,优化reader性能需要考虑的点包括:

  • 使用 DataLoader 。参考 这里 使用DataLoader,并建议开启 use_double_buffer

  • reader返回uint8类型数据。图片在解码后一般会以uint8类型存储,如果在reader中转换成float类型数据,会将数据体积扩大4倍。直接返回uint8数据,然后在GPU上转化成float类型进行训练可以提升数据读取效率。

  • 减少reader初始化时间 (infinite read)。在训练任务开始执行第一轮训练时,reader开始不断异步地从磁盘或其他存储中读取数据并执行预处理,然后将处理好的数据填充到队列中供计算使用。从0开始填充这个队列直到数据可以源源不断供给计算,需要一定时间的预热。所以,如果每轮训练都重新填充队列,会产生一些时间的开销。所以,在使用DataLoader时,可以让reader函数不断地产生数据,直到训练循环结束:

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    def infinite_reader(file_path):
        while True:
            with open(file_path) as fn:
                for line in fn:
                    yield process(line)
    
    def train():
        ...
        for pass_id in xrange(NUM_PASSES):
            if pass_id == 0:
                data_loader.start()
            for batch_id in (iters_per_pass):
                exe.run()
        data_loader.reset()
    

另外,可以使用DALI库提升数据处理性能。DALI是NVIDIA开发的数据加载库,更多内容请参考 官网文档 。飞桨中如何结合使用DALI库请参考 使用示例

2、训练策略设置

训练参数设置表

选项 类型 默认值 说明
num_threads int 1 CPU线程数
nccl_comm_num int 1 nccl通信器数量
fuse_all_reduce_ops bool False 多卡训练时,将AllReduce操纵进行融合
use_hierarchical_allreduce bool False 分级式reduce
num_iteration_per_drop_scope int 1 scope drop频率,设置每隔几个batch的迭代之后执行一次清理scope
fetch_frequency int 1 fetch的刷新频率
fuse_bn_act_ops bool False 是否开启batch normalization和激活函数的融合
fuse_elewise_add_act_ops bool False 是否开启elementwise add函数和激活函数的融合

说明:

  • 关于设置合适的CPU线程数 num_threads 和nccl通信器数量 nccl_comm_num 。PaddlePaddle Fluid使用“线程池” [3] 模型调度并执行Op,Op在启动GPU计算之前,通常需要CPU的协助,然而如果Op本身占用时间很小,“线程池”模型下又会带来额外的调度开销。使用多进程模式时,如果神经网络的计算图 [4] 节点间有较高的并发度,即使每个进程只在一个GPU上运行,使用多个线程可以更大限度的提升GPU利用率。nccl通信器数量 nccl_comm_num 可以加快GPU之间的通信效率,建议单机设置为1,多机设置为2。针对CPU线程数 num_threads ,建议单机设置为1,多机设置为 nccl_comm_num +1。
  • 关于AllReduce融合 fuse_all_reduce_ops ,默认情况下会将同一layer中参数的梯度的AllReduce操作合并成一个,比如对于 fluid.layers.fc 中有Weight和Bias两个参数,打开该选项之后,原本需要两次AllReduce操作,现在只用一次AllReduce 操作。此外,为支持更大粒度的参数梯度融合,Paddle提供了 FLAGS_fuse_parameter_memory_sizeFLAGS_fuse_parameter_groups_size 两个环境变量选项。用户可以指定融合AllReduce操作之后,每个AllReduce操作的梯度字节数,比如希望每次AllReduce调用传输16MB的梯度,export FLAGS_fuse_parameter_memory_size=16 ,经验值为总通信量的十分之一。可以指定每次AllReduce操作的最大层数,即到达该层数就进行AllReduce,如指定50层 export FLAGS_fuse_parameter_groups_size=50 。注意:目前不支持sparse参数梯度。
  • 关于使用分级式reduce use_hierarchical_allreduce 。对于多机模式,针对小数据量的通信,Ring AllReduce通信效率低,采用Hierarchical AllReduce可以解决该问题。
  • 关于降低scope drop频率 num_iteration_per_drop_scope 和fetch频率 fetch_frequency 。减少scope drop和fetch频率,可以减少频繁的变量内存申请、释放和拷贝,从而提升性能。
  • 关于操作融合:通过参数融合可以提升训练性能。

设置这些参数可以参考:

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dist_strategy = DistributedStrategy()
dist_strategy.nccl_comm_num = 2                    #建议多机设置为2,单机设置为1
exec_strategy = fluid.ExecutionStrategy()
exe_st.num_threads = 3                             #建议多机设置为nccl_comm_num+1,单机设置为1
exec_strategy.num_iteration_per_drop_scope = 30    #scope drop频率
dist_strategy.exec_strategy = exec_strategy
dist_strategy.fuse_all_reduce_ops = True           #AllReduce是否融合
             ...
with fluid.program_guard(main_prog, startup_prog): #组网
    params = model.params
    optimizer = optimizer_setting(params)
    dist_optimizer = fleet.distributed_optimizer(optimizer, strategy=dist_strategy)
    dist_optimizer.minimize(avg_cost)
             ...
for pass_id in range(PASS_NUM):
    batch_id = 0
    while True:
        if batch_id % fetch_frequency == 0:        #fetch频率
            fetched = exe.run(main_prog, fetch_list)
        else:
            exe.run([])

3、训练方式

1、Local SGD

GPU多机多卡同步训练过程中存在慢trainer现象,即每步中训练快的trainer的同步通信需要等待训练慢的trainer。由于每步中慢trainer的rank具有随机性,因此我们使用局部异步训练的方式——LocalSGD,通过多步异步训练(无通信阻塞)实现慢trainer时间均摊,从而提升同步训练性能。Local SGD训练方式主要有三个参数,分别是:

选项 类型 可选值 说明
use_local_sgd bool False/True 是否开启Local SGD,默认不开启
local_sgd_is_warm_steps int 大于0 训练多少轮之后才使用Local SGD方式训练
local_sgd_steps int 大于0 Local SGD的步长

说明:

  • Local SGD的warmup步长 local_sgd_is_warm_steps 影响最终模型的泛化能力,一般需要等到模型参数稳定之后在进行Local SGD训练,经验值可以将学习率第一次下降时的epoch作为warmup步长,之后再进行Local SGD训练。
  • Local SGD步长 local_sgd_steps ,一般该值越大,通信次数越少,训练速度越快,但随之而来的时模型精度下降。经验值设置为2或者4。

具体的Local SGD的训练代码可以参考:https://github.com/PaddlePaddle/Fleet/tree/develop/examples/local_sgd/resnet

2、使用混合精度训练

V100 GPU提供了 Tensor Core 可以在混合精度计算场景极大的提升性能。使用混合精度计算的例子可以参考:https://github.com/PaddlePaddle/models/tree/develop/PaddleCV/image_classification#using-mixed-precision-training

目前Paddle只提供在两个模型(ResNet, BERT)的混合精度计算实现并支持static loss scaling,其他模型使用混合精度也可以参考以上的实现完成验证。

附录

[1]现代GPU:指至少支持运行 CUDA 版本7.5以上的GPU
[2]GPU利用率:这里指GPU计算能力被使用部分所占的百分比
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Thread_pool
[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Data-flow_diagram