大规模深度强化学习技术概览「AI工程论」

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作者 | Flood Sung

来源 |  知乎专栏（https://zhuanlan.zhihu.com/p/145983063）

1 前言

深度学习的发展史就是一部算力的爆炸史，就如下图所示，最新的GPT-3更是达到了好几千Petaflop/s-days，Petaflop/s-days是什么概念呢？1个Petaflop/s-days 代表用每秒计算  次神经网络操作的速度算一天。老实说我也不清楚具体到底有多变态，大概是成千上万台cpu-gpu跑几个月吧。

https://openai.com/blog/ai-and-compute/

对于深度强化学习，算力的需求更是强烈，看上图，排在前面的AlphaGoZero，AlphaZero都是深度强化学习的代表，这还是18年的图，还没加上Alphastar和OpenAI Five。想想OpenAI和微软打造的世界排名第五的超算最主要就是用在深度强化学习上，所以这个时代没有大规模的算力基本上不用搞深度强化学习了。

为什么？

因为本来深度学习就需要大量的训练，而深度强化学习仅依靠reward采集样本进行更新，更是非常的低效（sample inefficient），所以就需要不断的训练训练训练。。。

也由此，大规模深度强化学习（Large Scale Deep Reinforcement Learning）成为刚需。

在今天这篇Blog中，我们主要来梳理一下近几年大规模深度强化学习框架的发展情况。

2 大规模深度强化学习要解决什么问题？

大规模深度强化学习要充分的利用大规模的cpu-gpu 计算资源来实现神经网络模型的高效训练。在思考大规模深度强化学习之前，我们先看一下大规模的监督学习要怎么做？

对于一般的监督学习问题，大规模的监督学习需要考虑的问题也就是数据并行（data parallelism)和模型并行(model parallelism)。

https://course.ie.cuhk.edu.hk/~ierg6130/2019/slide/lecture17_systemdesign.pdf

大部分情况下我们就考虑数据并行的问题，因为一般模型Model都是串行的，不太需要用多个GPU来做forward。对于数据并行，核心就是使用多台机器分布式的处理不同的数据，然后实现超大batch的数据更新。对于深度学习的训练，一般batch越大，学习效果越快越好。因为我们一直用的是stochastic gradient descent 而不是完全的gradient descent，batch越大，越趋近于完全的gradient descent。看GPT-3 1750亿版本的模型，batch size达到了惊人的320万，想想我们一般训练设置的batch size有1024就不错了，320万真的可以惊到下巴。大规模监督学习不太需要考虑复杂的框架，因为每台机器都可以直接喂数据，只需要把每台机器反向传播得到的梯度gradient取平均更新模型就可以了。

那么大规模深度强化学习有什么不一样呢？最大的不一样就是深度强化学习需要和环境env交互来获取训练数据，才能进行训练。所以，如何采集样本，如何更新网络就成为一个问题，怎么才能最优化的处理实现最高效的训练？特别对于没有那么多机器的团队，如何充分榨干机器的性能是极其重要的问题。

下面我们来看一下近几年来大规模深度强化学习的一些进展。

3 A3C

A3C

A3C，2016年的paper，现在感觉真的好早。A3C的思想是让每一个worker（CPU）都进行 采样训练的过程，然后把梯度统一传回来取平均更新Global Network，然后Global Network再把参数回传给每一个worker，这里每一个worker更新得到梯度就可以回传，所以是异步的，也使得每一个worker的参数是不一样的，但是这样也导致只能用CPU进行训练。后来OpenAI就提出了A2C，同步版本的，每一个worker仅采集数据，然后集中起来通过GPU进行更新，这样会快很多。也基本上，接下来的架构都不传梯度了，只传数据。

4 Ape-X

Ape-X 看起来思想很简单，面向Off-Policy的算法如DQN，DDPG，有很多个Actor包含Network和Env进行采样，然后把采集的数据统一放到一个Replay Buffer当中，接下来Learner从Replay中取数据训练。这个做法看起来很自然，效果也非常好。

5 IMPALA

IMPALA可以看做是A2C的进阶版，A2C的问题是每一个Actor（worker）都需要采样完毕了才能输送给Learner进行训练，那么IMPALA通过importance sampling的做法来使得Actor和Learner可以相对独立，两者的网络不用完全一样也可以更新（本质上和PPO的做法一样）。

只要数据采集够了，就可以送到learner进行训练，这样速度会快很多。

这里和Ape-X对比不需要replay buffer（放一个来做临时存储也可以），面对的还是偏向于on-policy的DRL算法。对于大规模深度强化学习，有时候因为采样数据够多，反而不需要考虑sample inefficiency的问题了。

6 OpenAI Dota 2

https://arxiv.org/pdf/1912.06680.pdf

对于OpenAI Dota 2 整体架构上和IMPALA并没有本质区别，只不过OpenAI使用PPO而不是V-trace。当然，这里也要注意的是OpenAI把forward也放在GPU上处理的，而不是纯放在CPU上。对于网络巨大的model，放在GPU上forward会更快。

7 Seed RL

前段时间，Google 推出了Seed RL，说是来解决IMPALA存在的问题：

对于上面的问题，其实OpenAI的做法采用GPU进行forward就部分解决了，SEED RL没有太大区别：

Actor只有Env了，forward直接给model进行处理。只是SEED RL的forward和backward用的是同一个GPU，这样也不涉及数据的传输问题了。OpenAI则是用不同的GPU。

看起来SEED RL相比IMPALA快了很多。

8 ACME

https://github.com/deepmind/acme/blob/master/paper.pdf

ACME前两天才推出，看起来是一个类似RLLib的framework，从设计上并不像SEED RL和OpenAI Dota 2这样优化，而是Actor里面进行直接采样。

https://docs.ray.io/en/master/rllib.html

有ACME和RLLib这样的framework，大家搞大规模深度强化学习确实会方便很多，但是要做的更强，还是需要进一步优化。

9 一点小结

从上面的发展来看，大规模深度强化学习的框架基本上是固定了，基于OpenAI Dota 2或SEED RL可以取得目前最佳的CPU-GPU使用效率。当然了，只有框架大规模训练起来也不代表就一定能得到好的效果，毕竟效果好不好还要看采样的数据样本好不好，有没有足够的diverse，所以这就必然引入了self-play，population-based learnin，AI-generating Environments。

提出AI-GAs的Jeff Clune大神加入OpenAI看起来搞的就是AI-generating Environments，再加上大规模深度强化学习，目测很快会给我们展示前所未有的Agent。

当数据足够多足够diverse，AI必将无所不能！

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