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异构内存及其在机器学习系统的应用与优化

发布于: 2021 年 06 月 08 日

第四范式深耕于人工智能领域,在人工智能相关算法、应用、系统和底层架构设计等有兼具广度和深度的理解。

随着近几年先进存储技术的飞速发展,涌现出了具有颠覆性的存储技术,比如非易失性存储、SSD 等。基于此类技术的异构内存架构,正在颠覆传统应用程序的设计和优化模式。

第四范式在异构内存架构上抢先布局,进行了若干创新性探索研发和落地实践,比如参数服务器[ 第四范式推出业界首个基于持久内存、支持毫秒级恢复的万亿维线上预估系统:https://www.163.com/tech/article/FGCFSO4N00099A7M.html ]、内存数据库等[ 英特尔、第四范式联合研究成果入选国际顶会 VLDB 傲腾™ 持久内存加持 优化万亿维特征在线预估系统:https://newsroom.intel.cn/news-releases/the-joint-research-results-of-intel-and-4paradigm-were-selected-into-the-vldb-international-conference/]。

此篇文章将介绍异构内存架构的技术背景,以及在自动机器学习系统上的技术实践。

异构内存架构

传统上,我们所说的内存一般是指动态随机存储,即 DRAM。此外,在 CPU 中还会存在小容量的快速存储器件,我们一般会称他们为 CPU 缓存(即 L1/L2 cache)。具有持久性的慢速存储器件则构成了外存,比如磁盘等。因此,外存、内存、和 CPU 缓存,构成了整个存储架构金字塔。但是,随着具有革命性意义的非易失性内存技术的商业化落地,使得这个金字塔中的内存不再由 DRAM 单一组成,而是由 DRAM 和非易失性内存构成了异构内存架构。

此外,非易失性内存的出现也模糊了内存和外存之间的功能边界,使得内存数据持久化成为了可能。今天,非易失性内存技术已经完全成熟,由英特尔于 2019 年发布的英特尔® 傲腾™ 持久内存(简称持久内存或者 PMem),即是此技术的代表性产品。


图 1. 基于异构内存的存储架构金字塔

图 1 显示了包含有异构内存的存储架构金字塔。可以看到,在本质上,持久内存处于金字塔中 DRAM 和外存之间,其在容量、性能、成本都是处于两者之间。甚至在功能上,它亦是一个 DRAM 和外存的混合体。它既可以直接当做内存使用(内存模式),也可以当作一个持久化设备使用(App Direct 模式,简称 AD 模式)。

在内存模式中,持久内存对操作系统透明,其容量直接反应为整体的可用内存容量;AD 模式则将存储层级暴露,由开发者完全掌控。因此,由于持久内存的特殊存在,现代内存架构不仅仅是在层级上变得更为复杂,在功能上也出现了革命性的变化,对于如何利用好异构内存架构,开发人员需要思考更多的问题,比如:

  • 多级存储的优化。持久内存提供了一个性能接近于 DRAM,但是成本更低的内存方案,非常有利于对于内存消耗巨大的应用。但是,多级存储架构的引入也为性能优化带来了更高的挑战。我们知道,高性能缓存在性能调优中有重大意义。一方面现实数据中往往存在热点,缓存可以有效提升热点数据的访问性能;另一方面,缓存敏感数据结构(cache


    conscious)为了压榨硬件性能,常常有精巧的设计。那么,持久内存的出现使得这个存储层级更为复杂,对多级缓存机制、数据结构和算法的设计都提出了更高的要求。

  • 持久化机制的利用。持久内存使得外存不再是存储数据的唯一选择。持久内存提供了远比传统外存器件更高的持久化性能,但是其容量相对较小。在某些场景中如何有效的发挥高性能持久化的特点,成为了应用落地需要思考的新问题。比如,对于需要全天候保证服务质量的在线服务应用,内存数据持久化即能提供离线以后的快速恢复能力;另外,原本磁盘 IO 为性能瓶颈的场景,也可以利用持久内存来作为存储介质,来提升整体系统性能。

为了让大家进一步了解异构内存架构如何在实际场景中发挥价值,我们将抛砖引玉,分享第四范式在异构内存架构上的实践经验。

自动机器学习系统在异构内存上的优化


图 2 显示了一个第四范式产品中一个典型的自动机器学习(AutoML)全流程。其主体上包含了离线探索以及线上推理部分。离线探索通过自动特征工程和模型训练,产出可以上线的特征工程脚本以及模型。线上推理服务在接受到用户请求以后,经过实时特征抽取和模型推理,拿到预测结果。同时消息队列在整个系统中起到了数据搜集和分发的关键作用。

从表格 1 可以看到,在异构内存架构下,持久内存在不同组件中有不同的使用方法,从而达到不同的优化目的。总体来说,内存模式可以用来实现快速的低成本内存容量扩展,AD 模式则带来了更多的益处,包括快速恢复能力、提升数据存储性能等。


第四范式已经将基于异构内存优化的关键技术组建进行了解耦,并且贡献到了开源社区,目前主要包含两个项目:高性能消息队列系统 Pafka(https://github.com/4paradigm/pafka),以及针对AI负载优化的高性能KV存储引擎 PmemStore(https://github.com/4paradigm/pmemstore) 。以下主要展开介绍 Pafka。

Pafka:基于异构内存优化的高性能消息队列系统

Kafka 是一个开源的分布式事件流/消息队列系统,用于高效,可靠地处理实时数据流,在工业界中有非常广泛的落地应用场景。 但是,由于其持久化逻辑的存在,其性能(吞吐和延迟)常常受到外存设备(HDD/SSD)的制约。在实际使用场景中,为了增加 Kafka 集群的总体吞吐量,企业不得不扩大集群规模,增加了企业的总成本。

持久内存具有高速持久化的特性,能达到几倍甚至几十倍于传统硬盘和 SSD 的持久化性能。因此,基于异构内存架构的 Kafka 的优化版本 — Pafka,正是利用了高速持久化的特性,大幅提升单节点吞吐,从而优化在集群上的总投入成本。总体来说,相比较于传统的 Kafka 解决方案,Pafka 带来了如下优势:

  • 比较于目前数据中心常见的 SATA SSD 的配置,基于异构内存的 Pafka 改进节点吞吐和延迟均达 20 倍。

  • 由于大幅提升了节点吞吐,因此在集群规模总投资上,相比较于 Kafka,Pafka 可以减少硬件投入成本 10 倍以上。

  • Pafka 直接基于 Kafka 优化,用户原有的基于 Kafka 的业务代码无需修改,可以零代码改造成本迁移到 Pafka 系统。

我们对于 Kafka 的优化集中于造成性能瓶颈的数据落盘部分。原 Kafka 原有的架构中,数据持久化只发生在外存(磁盘/SSD)这一层级;经过优化以后的 Pafka 版本,基于异构内存架构,同时把持久内存和外存用来做数据持久化。

具备高性能持久化能力的持久内存作为持久化层级的第一级,而容量更大但性能较差的外存则作为第二级持久化介质,两者通过一定的缓存机制进行管理。

由于消息队列的生产者/消费者的使用模式,大部分场景下数据的存取都会发生在高性能的持久内存中。


图 3. Pafka 集群架构如图 3 所示,一个 Kafka 服务器集群由几个至上百上千个的 brokers 组成。Brokers 内部划分为了不同的 partitions,进一步划分为 segments,来进行消息存储。我们对于 Kafka 的改造主要集中在 segment 的存储数据结构上的改造。原来的 segment 只能存储在 HDD/SSD 等外存设备上,我们使用 PMDK 来进行基于异构内存的持久化操作,引入 MixChannel 的概念,来实现 segment 既能存储在 HDD/SSD 的外存设备,也能在持久内存上。

具体来说,MixChannel 将普通的文件接口和持久内存的接口统一管理,其底层存储介质对于上层组件是透明的。为了支持基于持久内存的存储,我们为 MixChannel 引入了数据结构 PMemChannel,其主要功能是把持久内存的 MemoryBlock 对象封装成满足 FileChannel API 的接口,从而可以让 MixChannel 方便的选择基于传统文件的 FileChannel 接口,还是基于持久内存的 PMemChannel。这里我们使用了 pmdk llpl 的 PersistentMemoryBlock,会自动为每次写入的数据进行持久化。同时,为了支持 zero-copy,我们还为 llpl 的 MemoryBlock,通过直接映射持久内存的地址到 ByteBuffer,实现了 zero-copy 的 ByteBuffer 接口,从而避免了内存的多次拷贝,提升性能。

为了维护 segment 和持久内存上数据的对应关系,我们为每个 segment 分配一个持久内存的 MemoryBlock,映射关系通过 pmdk pcj 的 ObjectDirectory 来维护。

此外,为了避免 MemoryBlock 在 Pafka 正常运行时动态分配的开销,我们会在初始化的时候预先分配固定一定比例的内存池空间,用于写数据的时候 MemoryBlock 的快速分配。

性能比较


图 4 显示,相比较于数据中心中常用的基于 SATA SSD 进行持久化的 Kafka,基于异构内存优化的 Pafka 在吞吐和延迟的性能表现上均可以达到 20 倍的改进。

成本比较

假设我们的目标是提供 20 GB /秒的整体吞吐率,我们将异构持久内存的 Pafka 与基于 SATA SSD 的 Kafka 进行了比较。图 5 显示,为了实现 20 GB /秒的总吞吐率,基于 SATA SSD 的服务器和基于异构内存的服务器的数量分别为 45 和 3。 此外,就硬件成本而言,传统的 Kafka(SATA SSD)需要花费为 45 万美元,而我们的 Pafka 解决方案仅需花费 4.05 万美元。Pafka 解决方案将硬件成本大大降低到传统 Kafka 解决方案的 9%。


图 5. 20 GB/sec 吞吐的性能下,Pafka 和 Kafka 方案的成本比较

更多信息

Pafka 为第四范式的开源项目,具体使用方式、技术支持、以及完整性能报告可以通过以下渠道了解更多:-代码 Github repo:https://github.com/4paradigm/pafka-Slack channel:https://join.slack.com/t/memarkworkspace/shared_invite/zt-o1wa5wqt-euKxFgyrUUrQCqJ4rE0oPw-MemArk 异构存储技术论坛:https://discuss.memark.io/

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上海白玉兰开源开放研究院 2017.10.23 加入

由上海交通大学牵头,联合电子中国电子技术标准化研究院、北京大学、机器之心、复旦大学、华东师范大学、开源社、上海人工智能研究院有限公司等单位成立上海白玉兰开源开放研究院 http://www.baiyulan.org.cn/

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