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AI 分布式训练:DDP (数据并行)技术详解与实战

作者:Baihai IDP
  • 2023-12-18
    湖南
  • 本文字数:9233 字

    阅读完需:约 30 分钟

AI分布式训练:DDP (数据并行)技术详解与实战

编者按: 如今传统的单机单卡模式已经无法满足超大模型进行训练的要求,如何更好地、更轻松地利用多个 GPU 资源进行模型训练成为了人工智能领域的热门话题。

我们今天为大家带来的这篇文章详细介绍了一种名为 DDP(Distributed Data Parallel)的并行训练技术,作者认为这项技术既高效又易于实现。

文章要点如下:

(1)DDP 的核心思想是将模型和数据复制到多个 GPU 上并行训练,然后汇总平均梯度。

(2)DDP 比传统的 DP 模式更加高效,可以轻松扩展到多节点,同时也介绍了 DDP 的局限性。

(3)DDP 的 Python 实现非常简洁,主要分为进程初始化、设置 Distributed DataLoader(分布式数据加载器)和模型训练与测试三步。

(4)文中还解析了 DDP 中 Node、Master Node、Local Rank、Global Rank 等关键术语的具体含义。

(5)提供了从单 GPU 到单节点多 GPU 再到多节点场景的 DDP 应用案例源代码。

DDP 要求将整个模型加载到一个 GPU 上,这使得大模型的训练需要使用额外复杂的设置进行模型分片。期待未来有更多简单、高效、易用,还能满足大模型场景的模型训练并行技术出现!


作者 | François Porcher


编译 | 岳扬

01 Introduction

本文将介绍一种名为 DDP (Distributed Data Parallel)的技术,使用这种技术可以实现同时在多个 GPU 上训练模型。


我上学的时候只能用云服务平台的 GPU 进行训练。然而,当我进入企业上班后,情况就不同了。如果你所在的公司在人工智能领域投入了大量资源,特别是如果你在一家科技巨头公司工作,那么很可能你可以随时使用大量的 GPU 集群。


本教程旨在让读者掌握如何同时利用多个 GPU,实现快速高效的训练。而且,也许会让你惊讶的是,这种技术比你想象的还要简单!在你继续阅读本文之前,建议先去充分了解 PyTorch(一种机器学习框架)相关内容,包括其核心组件,如 Datasets、 DataLoaders、Optimizers、CUDA 和 Training loop。


一开始,我也认为 DDP 是一种复杂的、几乎无法实现的技术,认为它需要一个庞大的技术团队来建立必要的基础设施。不过,我向你们保证,DDP 不仅直观易懂,而且简洁明了,只需要几行代码就可以实现。 让我们一起踏上这段充满启迪的旅程吧!

02 直观理解 DPP 原理

分布式数据并行(DDP)是一个简单明了的概念。假如我们拥有一个由 4 个 GPU 组成的 GPU 集群。在 DDP 中,我们将相同的模型复制到每个 GPU 上进行训练。每个 GPU 都有自己的优化器,用于更新模型的参数。重点在于数据的划分。(译者注:通常情况下,我们将训练数据划分为多个 mini-batches,然后将这些 mini-batches 分配给多个 GPU 进行并行处理。每个 GPU 独立地计算梯度和更新参数,然后将结果同步到其他 GPU 上。)



DDP,图片摘自 PyTorch 教程[1]


如果你对深度学习比较熟悉,应该会知道 DataLoader,这是一种将数据集划分成不同 batches 的工具。通常情况下,我们会将整个数据集分成多个 batches ,模型在每个 batch 上进行计算,并根据计算结果更新模型参数。


DDP 进一步细化了这一过程,将每个 batch 划分为 "sub-batches"。实质上,每个模型副本都会处理 primary batch 的一个部分,从而让每个 GPU 都能独立地计算梯度,并根据其处理的数据片段来更新模型的参数。


在 DDP 中,我们通过一种名为 DistributedSampler 的工具将 batch 分成 sub-batches ,如下图所示:



DDP,图片摘自 PyTorch 教程[1]


在将每个 sub-batch 分配给各个 GPU 后,每个 GPU 都会独立地对其所处理的数据进行计算,并计算出自己独特的梯度(gradient)。



DDP,图片摘自 PyTorch 教程[1]


  • 这就是 DDP 的神奇之处。在更新模型参数之前,需要汇总每个 GPU 计算出的梯度,以便每个 GPU 都能获得整个数据 batch 上计算出的平均梯度。

  • 具体做法是将所有 GPU 的梯度之和取平均值。 例如,如果有 4 个 GPU,那么某个特定模型参数的平均梯度就是 4 个 GPU 上该参数的梯度之和除以 4。

  • DDP 使用 NCCL 或 Gloo 后端(NCCL 针对英伟达(NVIDIA) GPU 进行了优化,而 Gloo 则更为通用)来高效地在 GPU 之间进行通信和将梯度平均。



DDP,图片摘自 PyTorch 教程[1]

03 terms、nodes 和 ranks 等相关术语解读

在深入代码之前,先了解 DDP 技术相关术语的含义十分重要。来解释一下这些术语的含义:


  • Node:可将 Node 视为一台配备了多个 GPU 的高性能计算机。集群(cluster)并不是简单地将一堆 GPU 拼凑在一起。相反,它们被组织成 Groups 或 Nodes。例如,一个 Node 可以容纳 8 个 GPU。

  • Master Node:在 multi-node(多节点)环境中,通常需要有一个 Node 负责协调工作。这个“Master Node”处理诸如同步、启动模型复制、监控模型加载和管理日志条目等任务。 如果没有 Master Node ,每个 GPU 都会独立生成日志,从而导致混乱。

  • Local Rank:术语“ Rank ” 可以类比为 ID 或位置。Local Rank 指的是 GPU 在其特定 Node(或计算机)中的位置或 ID。 它是“ Local ”的,因为它仅限于这台特定的设备。

  • Global Rank:从全局角度来看,Global Rank 是指 GPU 在所有可用 Node 中的标识。 这是一个唯一的标识符,与设备无关。

  • World Size:所有 Node 上可用的所有 GPU 数量。简单来说,就是节点数和每个节点中 GPU 数量的乘积。


从这个角度来看,如果只使用一台机器,情况就会简单明了,因为 Local Rank 等同于 Global Rank。


可以用一张图片来说明这一点:



Local rank,图片摘自 PyTorch 教程[2]



Global rank,图片摘自 PyTorch 教程[2]

04 DDP 的局限性

分布式数据并行(DDP)在许多深度学习工作流中都起到了变革性的作用,但了解其局限性也很重要。


DDP 的局限性主要在于其内存消耗。使用 DDP 时,每个 GPU 都会加载模型副本、优化器和对应 batch 的数据副本。


GPU 的内存大小通常从几 GB 到 80GB 不等。对于较小的模型,使用单个 GPU 都不是问题。但是,当涉及大语言模型(LLM)领域或类似于 GPT 的架构时,单个 GPU 的内存可能就不够用了。


在计算机视觉领域,虽然有大量轻量级模型,但当 batch sizes 增加时,特别是在涉及三维图像或物体检测任务的场景下,就会面临挑战。


全分片数据并行(Fully Sharded Data Parallel,FSDP)应运而生了。FSDP 不仅将数据分布到不同的 GPU 上,还将模型和优化器的状态也分散到各个 GPU 的内存中。虽然这种方法看起来很好,但 FSDP 增多了 GPU 之间的通信,可能会降低训练速度。


总之:


  • 如果您的模型及其相应的 batch 使用单个 GPU 的内存即可满足需求,那么 DDP 技术就是您的最佳选择,因为它的特点是速度快。

  • 对于需要使用更多内存的大型模型,FSDP 是更合适的选择。不过,它是通过牺牲速度来换取内存的。

05 为什么要选择 DDP 而不是 DP?

在 PyTorch 的介绍网页中,其实是有两个选项的: DP 和 DDP。但本文此处提及这一内容只是为了避免读者迷失或混淆: 实践中只需使用 DDP,它更快速,而且不局限于单个 Node。



DP 和 DDP 的比较,内容摘自 PyTorch 教程[3]

06 代码演示

实现分布式深度学习比我们想象的要更简单。它的美妙之处在于,我们不再需要被复杂的 GPU 配置或梯度分布所困扰。


可以在以下链接找到所有的代码模板和脚本:


https://github.com/FrancoisPorcher/awesome-ai-tutorials


下面是详细步骤分解:


  1. 进程初始化: 这包括指定 master node 、指定端口和设置 world_size。

  2. 设置 Distributed DataLoader(分布式数据加载器): 这一步的关键是在可用的 GPU 上对每个 batch 进行分区。需要确保数据均匀分布,没有任何重叠。

  3. 模型训练/测试: 本质上,这一步与仅使用单 GPU 的操作流程基本保持不变。

6.1 在一个单 GPU 的 Node 上进行训练(baseline)

首先,编写下面这段代码,在单 GPU 上加载数据集、创建模型并进行 end-to-end(端到端)的训练。这是项目的起点:


import torchimport torch.nn.functional as Ffrom torch.utils.data import Dataset, DataLoaderfrom sklearn.datasets import load_winefrom sklearn.model_selection import train_test_splitfrom sklearn.preprocessing import StandardScalerimport numpy as np
class WineDataset(Dataset): def __init__(self, data, targets): self.data = data self.targets = targets
def __len__(self): return len(self.data)
def __getitem__(self, idx): return torch.tensor(self.data[idx], dtype=torch.float), torch.tensor(self.targets[idx], dtype=torch.long)
class SimpleNN(torch.nn.Module): def __init__(self): super(SimpleNN, self).__init__() self.fc1 = torch.nn.Linear(13, 64) self.fc2 = torch.nn.Linear(64, 3)
def forward(self, x): x = F.relu(self.fc1(x)) x = self.fc2(x) return x
class Trainer(): def __init__(self, model, train_data, optimizer, gpu_id, save_every): self.model = model self.train_data = train_data self.optimizer = optimizer self.gpu_id = gpu_id self.save_every = save_every self.losses = []
def _run_batch(self, source, targets): self.optimizer.zero_grad() output = self.model(source) loss = F.cross_entropy(output, targets) loss.backward() self.optimizer.step() return loss.item()
def _run_epoch(self, epoch): total_loss = 0.0 num_batches = len(self.train_data) for source, targets in self.train_data: source = source.to(self.gpu_id) targets = targets.to(self.gpu_id) loss = self._run_batch(source, targets) total_loss += loss
avg_loss = total_loss / num_batches self.losses.append(avg_loss) print(f"Epoch {epoch}, Loss: {avg_loss:.4f}")
def _save_checkpoint(self, epoch): checkpoint = self.model.state_dict() PATH = f"model_{epoch}.pt" torch.save(checkpoint, PATH) print(f"Epoch {epoch} | Model saved to {PATH}")
def train(self, max_epochs): self.model.train() for epoch in range(max_epochs): self._run_epoch(epoch) if epoch % self.save_every == 0: self._save_checkpoint(epoch)
def load_train_objs(): wine_data = load_wine() X = wine_data.data y = wine_data.target
# Normalize and split X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42) scaler = StandardScaler().fit(X_train) X_train = scaler.transform(X_train) X_test = scaler.transform(X_test)
train_set = WineDataset(X_train, y_train) test_set = WineDataset(X_test, y_test)
print("Sample from dataset:") sample_data, sample_target = train_set[0] print(f"Data: {sample_data}") print(f"Target: {sample_target}")
model = SimpleNN() optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
return train_set, model, optimizer
def prepare_dataloader(dataset, batch_size): return DataLoader(dataset, batch_size=batch_size, pin_memory=True, shuffle=True)
def main(device, total_epochs, save_every, batch_size): dataset, model, optimizer = load_train_objs() train_data = prepare_dataloader(dataset, batch_size) trainer = Trainer(model, train_data, optimizer, device, save_every) trainer.train(total_epochs)
main(device=torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu"), total_epochs=100, save_every=50, batch_size=32)
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6.2 在一个多 GPU 的 Node 上进行训练

现在,我们将在一个 Node 上使用所有 GPU,步骤如下:


  • 导入分布式训练所需的库。

  • 初始化分布式环境:特别是设置 MASTER_ADDR 和 MASTER_PORT。

  • 使用 DistributedDataParallel(DDP)将模型进行封装(译者注:DDP 会自动将模型的参数分布到各个 GPU 上,并在训练过程中进行同步)。

  • 使用 Distributed Sampler 确保数据集以分布式方式划分到各个 GPU 上。

  • 通过调整主函数的方式来生成多个进程,每个进程负责在不同的 GPU 上执行训练任务。


对于所需的库,我们可以通过以下操作导入:


import torch.multiprocessing as mpfrom torch.utils.data.distributed import DistributedSamplerfrom torch.nn.parallel import DistributedDataParallel as DDPfrom torch.distributed import init_process_group, destroy_process_groupimport os
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如果在一个 Node 上有 8 个 GPU,我们将会调用以下函数 8 次,为每个 GPU 设置一个单独的进程,并且为每个进程指定正确的 local_rank 参数。


def ddp_setup(rank, world_size): """    Set up the distributed environment.     Args:        rank: The rank of the current process. Unique identifier for each process in the distributed training.        world_size: Total number of processes participating in the distributed training.    """  # Address of the main node. Since we are doing single-node training, it's set to localhost.    os.environ["MASTER_ADDR"] = "localhost"  # Port on which the master node is expected to listen for communications from workers.    os.environ["MASTER_PORT"] = "12355"  # Initialize the process group.  # 'backend' specifies the communication backend to be used, "nccl" is optimized for GPU training.    init_process_group(backend="nccl", rank=rank, world_size=world_size)  # Set the current CUDA device to the specified device (identified by rank). # This ensures that each process uses a different GPU in a multi-GPU setup.    torch.cuda.set_device(rank)
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关于该函数的一些解释:


  • MASTER_ADDR 是运行主进程(或 rank 为 0 的进程)的机器的主机名。在这里是 localhost,表示在本地运行。

  • MASTER_PORT:指定主进程用于监听来自工作进程或其他进程连接的端口。12355 是任意选择的端口号。只要这个端口号在系统中没有被其他服务使用,并且在防火墙规则中被允许,你可以选择任何未使用的端口号。

  • torch.cuda.set_device(rank):这行代码确保每个进程使用其对应的 GPU。


然后需要对 Trainer 类稍作更改。我们只需用 DDP 函数对模型进行封装即可:


class Trainer(): def __init__(self, model, train_data, optimizer, gpu_id, save_every):        self.model = model.to(gpu_id)        self.train_data = train_data        self.optimizer = optimizer        self.gpu_id = gpu_id        self.save_every = save_every        self.losses = []  # This changes        self.model = DDP(self.model, device_ids=[gpu_id])
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Trainer 类的其他部分都是一样的,amazing!


这种情况下需要调整数据加载器(dataloader),以便在多 GPU 训练中正确地将批次数据分发到每个 GPU 上进行处理。


def prepare_dataloader(dataset: Dataset, batch_size: int): return DataLoader(        dataset,        batch_size=batch_size,        pin_memory=True,        shuffle=False,        sampler=DistributedSampler(dataset) )
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现在,我们可以修改 main 函数,每个进程都将调用该函数(本文这种情况是调用 8 次):


def main(rank: int, world_size: int, save_every: int, total_epochs: int, batch_size: int): """    Main training function for distributed data parallel (DDP) setup.     Args:        rank (int): The rank of the current process (0 <= rank < world_size). Each process is assigned a unique rank.        world_size (int): Total number of processes involved in the distributed training.        save_every (int): Frequency of model checkpoint saving, in terms of epochs.        total_epochs (int): Total number of epochs for training.        batch_size (int): Number of samples processed in one iteration (forward and backward pass).    """  # Set up the distributed environment, including setting the master address, port, and backend.    ddp_setup(rank, world_size)  # Load the necessary training objects - dataset, model, and optimizer.    dataset, model, optimizer = load_train_objs()  # Prepare the data loader for distributed training. It partitions the dataset across the processes and handles shuffling.    train_data = prepare_dataloader(dataset, batch_size)  # Initialize the trainer instance with the loaded model, data, and other configurations.    trainer = Trainer(model, train_data, optimizer, rank, save_every)  # Train the model for the specified number of epochs.    trainer.train(total_epochs)  # Cleanup the distributed environment after training is complete.    destroy_process_group()
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最后,在执行脚本时,我们将需要启动 8 个进程。这可以通过使用 mp.spawn()函数来实现(译者注:mp.spawn()函数是 PyTorch 提供的用于在多个进程中启动训练任务的功能,它可以方便地启动多个进程,并为每个进程分配相应的 GPU 和其他资源。):


if __name__ == "__main__": import argparse    parser = argparse.ArgumentParser(description='simple distributed training job')    parser.add_argument('total_epochs', type=int, help='Total epochs to train the model')    parser.add_argument('save_every', type=int, help='How often to save a snapshot')    parser.add_argument('--batch_size', default=32, type=int, help='Input batch size on each device (default: 32)')    args = parser.parse_args()     world_size = torch.cuda.device_count()    mp.spawn(main, args=(world_size, args.save_every, args.total_epochs, args.batch_size), nprocs=world_size)
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6.3 临门一脚: 在多个 Node 上进行训练

恭喜您到达了最后一步!这一步是在不同 Node 上调用所有可用的 GPU。如果您理解了前文所做的工作,这一步就非常容易了。


在跨多个 Node 进行扩展时,关键区别在于从 local_rank 到 global_rank 的转变。这一点十分重要,因为每个进程都需要一个唯一的标识符。例如,如果使用两个 Node ,每个 Node 有 8 个 GPU,那么进程 0 和进程 8 的 local_rank 都是 0。


global_rank 的计算公式非常直观:


global_rank = node_rank * world_size_per_node + local_rank


因此,我们首先要修改 ddp_setup 函数:


def ddp_setup(local_rank, world_size_per_node, node_rank):    os.environ["MASTER_ADDR"] = "MASTER_NODE_IP" # <-- Replace with your master node IP    os.environ["MASTER_PORT"] = "12355"     global_rank = node_rank * world_size_per_node + local_rank    init_process_group(backend="nccl", rank=global_rank, world_size=world_size_per_node*torch.cuda.device_count())    torch.cuda.set_device(local_rank)
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还需要调整主函数,该函数现在需要接受 world_size_per_node 作为参数。


def main(local_rank: int, world_size_per_node: int, save_every: int, total_epochs: int, batch_size: int, node_rank: int):    ddp_setup(local_rank, world_size_per_node, node_rank) # ... (rest of the main function)
复制代码


最后,我们还调整了 mp.spawn() 函数的 world_size_per_node 值:


if __name__ == "__main__": import argparse    parser = argparse.ArgumentParser(description='simple distributed training job')    parser.add_argument('total_epochs', type=int, help='Total epochs to train the model')    parser.add_argument('save_every', type=int, help='How often to save a snapshot')    parser.add_argument('--batch_size', default=32, type=int, help='Input batch size on each device (default: 32)')    parser.add_argument('--node_rank', default=0, type=int, help='The rank of the node in multi-node training')    args = parser.parse_args()
world_size_per_node = torch.cuda.device_count() mp.spawn(main, args=(world_size_per_node, args.save_every, args.total_epochs, args.batch_size, args.node_rank), nprocs=world_size_per_node)
复制代码

6.4 使用集群 (SLURM)

现在您已经准备好将训练任务发送到集群上。非常简单,你只需调用所需的节点数即可。


以下是 SLURM 脚本的模板:


#!/bin/bash#SBATCH --job-name=DDPTraining       # Name of the job#SBATCH --nodes=$1                   # Number of nodes specified by the user#SBATCH --ntasks-per-node=1          # Ensure only one task runs per node#SBATCH --cpus-per-task=1            # Number of CPU cores per task#SBATCH --gres=gpu:1                 # Number of GPUs per node#SBATCH --time=01:00:00              # Time limit hrs:min:sec (1 hour in this example)#SBATCH --mem=4GB                    # Memory limit per GPU#SBATCH --output=training_%j.log     # Output and error log name (%j expands to jobId)#SBATCH --partition=gpu              # Specify the partition or queue
srun python3 your_python_script.py --total_epochs 10 --save_every 2 --batch_size 32 --node_rank $SLURM_NODEID
复制代码


现在您可以使用以下命令从终端启动训练:


sbatch train_net.sh 2 # for using 2 nodes
复制代码


Congratulations, you've made it!


Thanks for reading!


END


参考资料


[1]https://www.youtube.com/watch?v=Cvdhwx-OBBo


[2]https://www.youtube.com/watch?v=KaAJtI1T2x4


[3]https://pytorch.org/tutorials/beginner/ddp_series_theory.html


本文经原作者授权,由 Baihai IDP 编译。如需转载译文,请联系获取授权。


原文链接:


https://towardsdatascience.com/a-comprehensive-guide-of-distributed-data-parallel-ddp-2bb1d8b5edfb

发布于: 23 小时前阅读数: 3
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