pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed模型训练

pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed(环境没搞起来)模型训练代码,并对比不同方法的训练速度以及GPU内存的使用

代码:pytorch_model_train


FairScale(你真的需要FSDP、DeepSpeed吗?)

在了解各种训练方式之前,先来看一下 FairScale 给出的一个模型训练方式选择的流程,选择适合自己的方式,就是最好的。

pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed模型训练_第1张图片


训练环境设置

  • 模型:预训练的Resnet50
  • 数据集:Cifar10
  • 硬件资源:一台4卡Tesla P40
  • 训练设置:5 epoch、128 batch size
  • 观察指标:显存占用、GPU使用率、训练时长、模型训练结果

备注:

  1. 由于P40硬件限制,不支持半精度fp16的训练,在fp16条件下训练的速度会受到影
  2. ResNet50模型较小,batch_size=1时单卡仅占用 0.34G显存,绝大部分显存都被输入数据,以及中间激活占用

测试基准(batch_size=1)

  • 单卡显存占用:0.34 G
  • 单卡GPU使用率峰值:60%

单卡单精度训练

  • 代码文件:pytorch_SingleGPU.py
  • 单卡显存占用:11.24 G
  • 单卡GPU使用率峰值:100%
  • 训练时长(5 epoch):1979 s
  • 训练结果:准确率85%左右

pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed模型训练_第2张图片


单卡半精度训练

  • 代码文件:pytorch_half_precision.py
  • 单卡显存占用:5.79 G
  • 单卡GPU使用率峰值:100%
  • 训练时长(5 epoch):1946 s
  • 训练结果:准确率75%左右

pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed模型训练_第3张图片

备注: 单卡半精度训练的准确率只有75%,单精度的准确率在85%左右


单卡混合精度训练

AUTOMATIC MIXED PRECISION PACKAGE - TORCH.AMP

CUDA AUTOMATIC MIXED PRECISION EXAMPLES

PyTorch 源码解读之 torch.cuda.amp: 自动混合精度详解

如何使用 PyTorch 进行半精度、混(合)精度训练

如何使用 PyTorch 进行半精度训练

pytorch模型训练之fp16、apm、多GPU模型、梯度检查点(gradient checkpointing)显存优化等

Working with Multiple GPUs

  • 代码文件:pytorch_auto_mixed_precision.py
  • 单卡显存占用:6.02 G
  • 单卡GPU使用率峰值:100%
  • 训练时长(5 epoch):1546 s
  • 训练结果:准确率85%左右

pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed模型训练_第4张图片

  • 混合精度训练过程

pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed模型训练_第5张图片

  • 混合精度训练基本流程
  1. 维护一个 FP32 数值精度模型的副本
  2. 在每个iteration
    • 拷贝并且转换成 FP16 模型
    • 前向传播(FP16 的模型参数)
    • loss 乘 scale factor s
    • 反向传播(FP16 的模型参数和参数梯度)
    • 参数梯度乘 1/s
    • 利用 FP16 的梯度更新 FP32 的模型参数
  • autocast结合GradScaler用法
# Creates model and optimizer in default precision
model = Net().cuda()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), ...)

# Creates a GradScaler once at the beginning of training.
scaler = GradScaler()

for epoch in epochs:
    for input, target in data:
        optimizer.zero_grad()

        # Runs the forward pass with autocasting.
        with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
            output = model(input)
            loss = loss_fn(output, target)

        # Scales loss.  Calls backward() on scaled loss to create scaled gradients.
        # Backward passes under autocast are not recommended.
        # Backward ops run in the same dtype autocast chose for corresponding forward ops.
        scaler.scale(loss).backward()

        # scaler.step() first unscales the gradients of the optimizer's assigned params.
        # If these gradients do not contain infs or NaNs, optimizer.step() is then called,
        # otherwise, optimizer.step() is skipped.
        scaler.step(optimizer)

        # Updates the scale for next iteration.
        scaler.update()
  • 基于GradScaler进行梯度裁剪
scaler.scale(loss).backward()
scaler.unscale_(optimizer)
torch.nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), max_norm)
scaler.step(optimizer)
scaler.update()
  • autocast用法
# Creates some tensors in default dtype (here assumed to be float32)
a_float32 = torch.rand((8, 8), device="cuda")
b_float32 = torch.rand((8, 8), device="cuda")
c_float32 = torch.rand((8, 8), device="cuda")
d_float32 = torch.rand((8, 8), device="cuda")

with torch.autocast(device_type="cuda"):
    # torch.mm is on autocast's list of ops that should run in float16.
    # Inputs are float32, but the op runs in float16 and produces float16 output.
    # No manual casts are required.
    e_float16 = torch.mm(a_float32, b_float32)
    # Also handles mixed input types
    f_float16 = torch.mm(d_float32, e_float16)

# After exiting autocast, calls f_float16.float() to use with d_float32
g_float32 = torch.mm(d_float32, f_float16.float())
  • autocast嵌套使用
# Creates some tensors in default dtype (here assumed to be float32)
a_float32 = torch.rand((8, 8), device="cuda")
b_float32 = torch.rand((8, 8), device="cuda")
c_float32 = torch.rand((8, 8), device="cuda")
d_float32 = torch.rand((8, 8), device="cuda")

with torch.autocast(device_type="cuda"):
    e_float16 = torch.mm(a_float32, b_float32)
    with torch.autocast(device_type="cuda", enabled=False):
        # Calls e_float16.float() to ensure float32 execution
        # (necessary because e_float16 was created in an autocasted region)
        f_float32 = torch.mm(c_float32, e_float16.float())

    # No manual casts are required when re-entering the autocast-enabled region.
    # torch.mm again runs in float16 and produces float16 output, regardless of input types.
    g_float16 = torch.mm(d_float32, f_float32)

4卡 DP(Data Parallel)

  • 代码文件:pytorch_DP.py
  • 单卡显存占用:3.08 G
  • 单卡GPU使用率峰值:99%
  • 训练时长(5 epoch):742 s
  • 训练结果:准确率85%左右

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4卡 DDP(Distributed Data Parallel)

pytorch-multi-gpu-training
/ddp_train.py

DISTRIBUTED COMMUNICATION PACKAGE - TORCH.DISTRIBUTED

  • 代码文件:pytorch_DDP.py
  • 单卡显存占用:3.12 G
  • 单卡GPU使用率峰值:99%
  • 训练时长(5 epoch):560 s
  • 训练结果:准确率85%左右

pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed模型训练_第7张图片

  • 代码启动命令(单机 4 GPU)
python -m torch.distributed.launch --nproc_per_node=4 --nnodes=1 pytorch_DDP.py    

基于accelerate的 DDP

huggingface/accelerate

Hugging Face开源库accelerate详解

  • 代码文件:accelerate_DDP.py
  • 单卡显存占用:3.15 G
  • 单卡GPU使用率峰值:99%
  • 训练时长(5 epoch):569 s
  • 训练结果:准确率85%左右

pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed模型训练_第8张图片

  • accelerate配置文件default_DDP.yml
compute_environment: LOCAL_MACHINE
distributed_type: MULTI_GPU
downcast_bf16: 'no'
gpu_ids: all
machine_rank: 0
main_training_function: main
mixed_precision: 'no'
num_machines: 1
num_processes: 4
rdzv_backend: static
same_network: true
tpu_env: []
tpu_use_cluster: false
tpu_use_sudo: false
use_cpu: false
  • 代码启动命令(单机 4 GPU)
accelerate launch --config_file ./config/default_DDP.yml accelerate_DDP.py    

Pytorch + FSDP(Fully Sharded Data Parallel)

Pytorch FULLY SHARDED DATA PARALLEL (FSDP) 初识

2023 年了,大模型训练还要不要用 PyTorch 的 FSDP ?

GETTING STARTED WITH FULLY SHARDED DATA PARALLEL(FSDP)

  • batch_size == 1

    • 单卡显存占用:0.19 G,相比基准测试的 0.34G 有减少,但是没有达到4倍
    • 单卡GPU使用率峰值:60%
  • batch_size == 128

    • 单卡显存占用:2.88 G
    • 单卡GPU使用率峰值:99%
  • 代码文件:pytorch_FSDP.py

  • 训练时长(5 epoch):581 s

  • 训练结果:准确率85%左右

备注: pytorch里面的FSDP的batchsize是指单张卡上的batch大小

pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed模型训练_第9张图片

  • 代码启动命令(单机 4 GPU)
python -m torch.distributed.launch --nproc_per_node=4 --nnodes=1 pytorch_FSDP.py    
  • FSDP包装后的模型

代码中指定对Resnet50中的Linear和Conv2d层应用FSDP。

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基于accelerate的 FSDP(Fully Sharded Data Parallel)

  • batch_size == 1

    • 单卡显存占用:0.38 G,相比基准测试的 0.34G 并没有减少
    • 单卡GPU使用率峰值:60%
  • batch_size == 128

    • 单卡显存占用:2.90 G
    • 单卡GPU使用率峰值:99%
  • 代码文件:accelerate_FSDP.py

  • 训练时长(5 epoch):576 s,对于这个小模型速度和DDP相当

  • 训练结果:准确率85%左右

pytorch单精度、半精度、混合精度、单卡、多卡(DP / DDP)、FSDP、DeepSpeed模型训练_第11张图片

  • accelerate配置文件default_FSDP.yml
compute_environment: LOCAL_MACHINE
distributed_type: FSDP
downcast_bf16: 'no'
fsdp_config:
  fsdp_auto_wrap_policy: SIZE_BASED_WRAP
  fsdp_backward_prefetch_policy: BACKWARD_PRE
  fsdp_forward_prefetch: true
  fsdp_min_num_params: 1000000
  fsdp_offload_params: false
  fsdp_sharding_strategy: 1
  fsdp_state_dict_type: SHARDED_STATE_DICT
  fsdp_sync_module_states: true
  fsdp_use_orig_params: true
machine_rank: 0
main_training_function: main
mixed_precision: 'no'
num_machines: 1
num_processes: 4
rdzv_backend: static
same_network: true
tpu_env: []
tpu_use_cluster: false
tpu_use_sudo: false
use_cpu: false
  • 代码启动命令(单机 4 GPU)
accelerate launch --config_file ./config/default_FSDP.yml accelerate_FSDP.py    

Pytorch + DeepSpeed(环境没搞起来,哈哈哈)

[BUG] error: unrecognized arguments: --deepspeed ./ds_config.json #3961

fused_adam.so: cannot open shared object file: No such file or directory #119

DeepSpeedExamples/training/cifar/

Getting Started

  • 代码文件:pytorch_DeepSpeed.py

  • 单卡显存占用:

  • 单卡GPU使用率峰值:

  • 训练时长(5 epoch):

  • 训练结果:

  • 代码启动命令(单机 4 GPU)

deepspeed pytorch_DeepSpeed.py --deepspeed_config ./config/zero_stage2_config.json    

基于accelerate的 DeepSpeed(环境没搞起来,哈哈哈)

DeepSpeed介绍

深度解析:如何使用DeepSpeed加速PyTorch模型训练

DeepSpeed

  • 代码文件:accelerate_DeepSpeed.py
  • 单卡显存占用:
  • 单卡GPU使用率峰值:
  • 训练时长(5 epoch):
  • 训练结果:

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