第五课：MindSpore自动并行

第五课：MindSpore自动并行

1、学习总结：

数据并行

数据并行过程:

• 每一张卡上放置相同的模型参数、梯度、优化器状态
• 不同的卡送入不同的数据训练
• 反向传播获得梯度后，进行AllReduce

数据并行的问题:

• 要求单卡可以放下模型.
• 多卡训练时内存冗余

模型并行

**模型并行是算子层面的并行，它利用某些算子的特性将算子拆分到多个设备上进行计算。**因此并不是网络中所有的算子都可以拆分计算,可以拆分的算子需满足如下特性:

• 可以并行计算的算子
• 算子其中一个输入来自于Parameter

MindSpore算子级并行

• MindSpore对每个算子独立建模，用户可以设置正向网络中每个算子的切分策略(对于未设置的算子，默认按数据并行进行切分)。
• 在构图阶段，框架将遍历正向图，根据算子的切分策略对每个算子及其输入张量进行切分建模，使得该算子的计算逻辑在切分前后保持数学等价。
• 框架内部使用Tensor Layout来表达输入输出张量在集群中的分布状态，Tensor Layout中包含了张量和设备间的映射关系，用户无需感知模型各切片在集群中如何分布，框架将自动调度分配。
• 框架还将遍历相邻算子间张量的Tensor Layout，如果前一个算子输出张量作为下一个算子的输入张量，且前一个算子输出张量的Tensor Layout与下一-个算子输入张量的Tensor Layout不同，则需要在两个算子之间进行张量重排布(Tensor Redistribution)
• 对于训练网络来说，框架处理完正向算子的分布式切分之后，依靠框架的自动微分能力,即能自动完成反向算子的分布式切分。

算子级并行示例

由于第一个算子输出的Tensor Layout是第零维切分到集群，而第二个算子要求第一个输入Tensor在集群上复制。**所以在图编译阶段，会自动识别两个算子输出/输入之间Tensor Layout的不同，从而自动推导出Tensor重排布的算法。**而这个例子所需要的Tensor重排布是一个AllGather算子(注: MindSpore的AllGather算子会自动把多个输入Tensor在第零维进行合并)

流水线并行

• 受server间通信带宽低的影响，传统数据并行叠加模型并行的这种混合并行模式的性能表现欠佳，需要引入流水线并行。流水线并行能够将模型在空间上按stage进行切分，每个stage只需执行网络的一部分，大大节省了内存开销，同时缩小了通信域，缩短了通信时间。
• 流水线(Pipeline) 并行是将神经网络中的算子切分成多个阶段(Stage) ，再把阶段映射到不同的设备上，使得不同设备去计算神经网络的不同部分。

GPipe和Micro batch

**简单地将模型切分到多设备上并不会带来性能的提升，因为模型的线性结构到时同一时刻只有一台设备在工作，而其它设备在等待，造成了资源的浪费。**为了提升效率，流水线并行进一步将小批次(MiniBatch)切分成更细粒度的微批次(MicroBatch)，在微批次中采用流水线式的执行序，从而达到提升效率的目的。

1F1B

**MindSpore的流水线并行实现中对执行序进行了调整，来达到更优的内存管理。**如图3所示，在编号为0的MicroBatch的正向执行完后立即执行其反向，这样做使得编号为0的MicroBatch的中间结果的内存得以更早地(相较于上图)释放，进而确保内存使用的峰值比上图的方式更低。

流水线并行示例

• 流水线并行需要用户去定义并行的策略，通过调用pipeline_ stage接口来指定每个layer要在哪个stage上去执行。
• pipeline_ stage接口的粒度为Cell。所有包含训练参数的Cell都需要配置pipeline_ stage，并且pipeline_ stage要按照网络执行的先后顺序，从小到大进行配置。

class ResNet(nn.Cell):
    """ResNet"""

    def __init__(self, block, num_classes=100, batch_size=32):
        """init"""
        super(ResNet, self).__init__()
        self.batch_size = batch_size
        self.num_classes = num_classes
        self.head = Head()

        self.layer1 = MakeLayer0(block, in_channels=64, out_channels=256, stride=1)
        self.layer2 = MakeLayer1(block, in_channels=256, out_channels=512, stride=2)
        self.layer3 = MakeLayer2(block, in_channels=512, out_channels=1024, stride=2)
        self.layer4 = MakeLayer3(block, in_channels=1024, out_channels=2048, stride=2)

        self.pool = ops.ReduceMean(keep_dims=True)
        self.squeeze = ops.Squeeze(axis=(2, 3))
        self.fc = fc_with_initialize(512 * block.expansion, num_classes)

        # 下面就是流水线并行的配置
        self.head.pipeline_stage = 0
        self.layer1.pipeline_stage = 0
        self.layer2.pipeline_stage = 0
        self.layer3.pipeline_stage = 1
        self.layer4.pipeline_stage = 1
        self.fc.pipeline_stage = 1

内存优化

重计算

在计算某些反向算子时，需要用到一些正向算子的计算结果，导致这些正向算子的计算结果需要驻留在内存中，直到依赖它们的反向算子计算完，这些正向算子的计算结果占用的内存才会被复用。这一现象推高了训练的内存峰值，在大规模网络模型中尤为显著。如:

• Dropout
• Activations

解决办法是通过时间换空间，为了降低内存峰值， 重计算技术可以不保存正向计算结果，让该内存可以被复用，然后在计算反向部分时，重新计算出正向结果。

重计算效果

以GPT3模型为例，设置策略为对每层layer对应的Cell设置为重计算，然后每层layer的输出算子设置为非重计算。72层GPT3网络开启重计算的效果如下图所示:

重计算使用方式

为了方便用户使用，MindSpore提供了针对单个算子和Cell设置的重计算接口。当用户调用Cell的重计算接口时，这个Cell里面的所有正向算子都会被设置为重计算。

class ResNet(nn.Cell):
    """ResNet"""

    def __init__(self, block, num_classes=100, batch_size=32):
        """init"""
        super(ResNet, self).__init__()
        self.batch_size = batch_size
        self.num_classes = num_classes

        self.conv1 = conv7x7(3, 64, stride=2, padding=0)

        self.bn1 = bn_with_initialize(64)
        self.relu = ops.ReLU()
        self.maxpool = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, pad_mode="same")

        self.layer1 = MakeLayer0(block, in_channels=64, out_channels=256, stride=1)
        self.layer2 = MakeLayer1(block, in_channels=256, out_channels=512, stride=2)
        self.layer3 = MakeLayer2(block, in_channels=512, out_channels=1024, stride=2)
        self.layer4 = MakeLayer3(block, in_channels=1024, out_channels=2048, stride=2)

        # 这里就是对每层进行重计算的方式
        self.layer1.recompute()
        self.layer2.recompute()
        self.layer3.recompute()
        self.layer4.recompute()

        self.pool = ops.ReduceMean(keep_dims=True)
        self.squeeze = ops.Squeeze(axis=(2, 3))
        self.fc = fc_with_initialize(512 * block.expansion, num_classes)

优化器并行

• 在进行数据并行训练时，模型的参数更新部分在各卡间存在冗余计算，优化器并行通过将优化器的计算量分散到数据并行维度的卡上，在大规模网络上(比如Bert、 GPT) 可以有效减少内存消耗并提升网络性能。

• 传统的数据并行模式将模型参数在每台设备上都有保有副本，把训练数据切分，在每次迭代后利用通信算子同步梯度信息，最后通过优化器计算对参数进行更新。数据并行虽然能够有效提升训练吞吐量，但并没有最大限度地利用机器资源。其中优化器会引入冗余内存和计算，消除这些冗余是需关注的优化点。

ZeRO (1-3)

• 优化器状态切分p_os：切分优化器状态到各个计算卡中，在享有普通数据并行相同通信量的情况下，可降低4倍的内存占用
• 添加梯度切分p_os+g：在p_os的基础上，进一步将模型梯度切分到各个计算卡中，在享有与普通数据并行相同通信量的情况下，拥有8倍的内存降低能力
• 添加参数切分p_os+g+p：在p_os+g的基础上，将模型参数也切分到各个计算卡中，内存降低能力与并行数量成线性比例，通信量大约有50%的增长

参数分组(Weights Grouping)
将参数和梯度分组放到不同卡上更新，再通过通信广播操作在设备间共享更新后的权值。该方案的内存和性能收益取决于参数比例最大的group。当参数均匀划分时，理论上的正收益是N- 1/N的优化器运行时间和动态内存，以及N- 1/N的优化器状态参数内存大小，其中N表示设备数。而引入的负收益是共享网络权重时带来的通信时间。

参数切分(Weights Sharding)
**对参数做层内划分，对每一个参数及梯度根据设备号取其对应切片，各自更新后再调用通信聚合操作在设备间共享参数。**这种方案的优点是天然支持负载均衡，即每张卡上参数量和计算量一致，缺点是对参数形状有整除设备数要求。该方案的理论收益与参数分组一致，为了扩大优势，框架做了如下几点改进。

• **对网络中的权重做切分，可以进一步减少静态内存。**但这也需要将迭代末尾的共享权重操作移动到下-轮迭代的正向启动前执行，保证进入正反向运算的依旧是原始张量形状。
• **优化器并行运算带来的主要负收益是共享权重的通信时间，如果我们能够将其减少或隐藏，就可以带来性能上的提升。**通信跨迭代执行的一个好处就是，可以通过对通信算子适当分组融合，将通信操作与正向网络交叠执行，从而尽可能隐藏通信耗时。通信耗时还与通信量有关，对于涉及混合精度的网络，如果能够使用fp16通信，通信量相比fp32将减少- -半

MindSpore分布式并行模式

• 数据并行：用户的网络参数规模在单卡上可以计算的情况下使用。这种模式会在每卡上复制相同的网络参数，训练时输入不同的训练数据，适合大部分用户使用。

• 半自动并行：用户的神经网络在单卡上无法计算，并且对切分的性能存在较大的需求。用户可以设置这种运行模式，手动指定每个算子的切分策略，达到较佳的训练性能。

• 自动并行：用户的神经网络在单卡上无法计算，但是不知道如何配置算子策略。用户启动这种模式，MindSpore会自动针对每个算子进行配置策略，适合想要并行训练但是不知道如何配置策略的用户。

• 混合并行：完全由用户自己设计并行训练的逻辑和实现，用户可以自己在网络中定义AllGather等通信算子。适合熟悉并行训练的用户。

课程ppt及代码地址

• github地址（网络不好的可以访问下面我克隆到gitee上的地址）：Parallel

• gitee地址：Parallel

2、学习心得：

​ 通过本次学习，更加熟悉了华为Mindspore这个国产深度学习框架，同时也对mindspore的各种并行策略有所了解，峰哥通过resnet50这个示例把各种并行策略实现都做了一个详细的讲解，还是比较印象深刻的，课后不懂的还可以再跑跑相关的代码示例，总之各种并行策略在代码上的实现方式还是挺简单的，基本就是一行代码就搞定了。

3、经验分享：

​ 在启智openI上的npu跑时记得使用mindspore1.7的镜像，同时安装对应mindnlp的版本，不然可能会因为版本不兼容而报错。另外就是各种并行策略的代码都要跑一跑，结合视频去加深理解。

4、课程反馈：

​ 本次课程中的代码串讲我觉得是做的最好的地方，没有照着ppt一直念，而是在jupyter lab上把代码和原理结合到一块进行讲解，让学习者对代码的理解更加深入。我觉得内容的最后可以稍微推荐一下与Mindspore大模型相关的套件，让学习者在相关套件上可以开发出更多好玩和有趣的东西！

5、使用MindSpore昇思的体验和反馈：

MindSpore昇思的优点和喜欢的方面：

1. 灵活性和可扩展性： MindSpore提供了灵活的编程模型，支持静态计算图和动态计算图。这种设计使得它适用于多种类型的机器学习和深度学习任务，并且具有一定的可扩展性。
2. 跨平台支持： MindSpore支持多种硬件平台，包括CPU、GPU和NPU等，这使得它具有在不同设备上运行的能力，并能充分利用各种硬件加速。
3. 自动并行和分布式训练： MindSpore提供了自动并行和分布式训练的功能，使得用户可以更轻松地处理大规模数据和模型，并更高效地进行训练。
4. 生态系统和社区支持： MindSpore致力于建立开放的生态系统，并鼓励社区贡献，这对于一个开源框架来说非常重要，能够帮助用户更好地学习和解决问题。

一些建议和改进方面：

1. 文档和教程的改进： 文档和教程并不是很详细，希望能够提供更多实用的示例、详细的文档和教程，以帮助用户更快速地上手和解决问题。
2. 更多的应用场景示例： 提供更多真实场景的示例代码和应用案例，可以帮助用户更好地了解如何在实际项目中应用MindSpore。

6、未来展望：

​ 大模型的内容还是很多的，希望自己能坚持打卡，将后面的内容都学习完，并做出一些有趣好玩的东西来！最近准备尝试做做社区大模型相关的代码迁移+精度验证任务了，希望能够学以致用，提高自己的技术水平！