大模型有什么用，從技術(shù)上看

目前為止，大模型主要是以NLP為主，因為NLP拋棄了RNN序列依賴的問題，采用了Attention is All you need的Transformer結(jié)構(gòu)，使得NLP能夠演變出更多大模型。圖像領域也不甘示弱，CNN大模型也開始陸續(xù)涌現(xiàn)。

1. 模型碎片化，大模型提供預訓練方案。目前AI面對行業(yè)、業(yè)務場景很多，人工智能需求正呈現(xiàn)出碎片化、多樣化的特點。從開發(fā)、調(diào)參、優(yōu)化、迭代到應用，AI模型研發(fā)成本極高，且難以滿足市場定制化需求，所以網(wǎng)上有的人會說現(xiàn)階段的AI模型研發(fā)處于手工作坊式。基本上一個公司想要用AI賦能自身的業(yè)務，多多少少也得招聘懂AI的研發(fā)人員。為了解決手工作坊式走向工廠模式，大模型提供了一種可行方案，也就是“預訓練大模型+下游任務微調(diào)”的方式。大規(guī)模預訓練可以有效地從大量標記和未標記的數(shù)據(jù)中捕獲知識，通過將知識存儲到大量的參數(shù)中并對特定任務進行微調(diào)，極大地擴展了模型的泛化能力。例如，在NLP領域，預訓練大模型共享了預訓任務和部分下游任務的參數(shù)，在一定程度上解決了通用性的難題，可以被應用于翻譯，問答，文本生成等自然語言任務。PS：手工作坊式 ==> 工廠模式，一個大模型替代之前幾十個專門小模型。

2. 大模型具備自監(jiān)督學習功能，降低訓練研發(fā)成本。大模型的自監(jiān)督學習方法，可以減少數(shù)據(jù)標注，在一定程度上解決了人工標注成本高、周期長、準確度不高的問題。

3. 大模型有望進一步突破現(xiàn)有模型結(jié)構(gòu)的精度局限。從深度學習發(fā)展前10年的歷程來看，模型精度提升，主要依賴網(wǎng)絡在結(jié)構(gòu)上的變革。例如，從AlexNet到ResNet50，再到NAS搜索出來的EfficientNet，ImageNet Top-1 精度從58提升到了84。但是，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計技術(shù)，逐漸成熟并趨于收斂，想要通過優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)從而打破精度局限非常困難。近年來，隨著數(shù)據(jù)規(guī)模和模型規(guī)模的不斷增大，模型精度也得到了進一步提升，研究實驗表明，模型和數(shù)據(jù)規(guī)模的增大確實能突破現(xiàn)有精度的一個局限。

二、什么是大模型

TensorFlow在推薦系統(tǒng)中的分布式訓練優(yōu)化實踐隨著美團業(yè)務的發(fā)展，推薦系統(tǒng)模型的規(guī)模和復雜度也在快速增長，具體表現(xiàn)如下：

1. 訓練數(shù)據(jù)：訓練樣本從到百億增長到千億，增長了近10倍。

2. 稀疏參數(shù)：個數(shù)從幾百到幾千，也增長了近10倍；總參數(shù)量（也就是tf.Variable）從幾億增長到百億，增長了10~20倍。

3. 模型復雜度：越來越復雜，模型單步計算時間增長10倍以上。對于大流量業(yè)務，一次訓練實驗，從幾個小時增長到了幾天，而此場景一次實驗保持在1天之內(nèi)是基本的需求。

深度學習分布式訓練的現(xiàn)狀及未來大模型主要分為兩類：

1. 搜索、推薦、廣告類任務，它的特點是海量樣本及大規(guī)模稀疏參數(shù)（sparse embeddings），適合使用 CPU/GPU 參數(shù)服務器模式（PS）；參數(shù)服務器模式從第一代 Alex Smola 在 2010 年提出的 LDA（文本挖掘領域的隱狄利克雷分配模型），到第二代 Jeff Dean 提出的 DistBelief，接著到第三代李沐提出的相對成熟的現(xiàn)代 Parameter Server 架構(gòu)，再到后來的百花齊放：Uber 的 Horvod，阿里的 XDL、PAI，Meta 的 DLRM，字節(jié)的 BytePs、美團基于 Tensorlow 做的各種適配等等。參數(shù)服務器的功能日趨完善，性能也越來越強，有純 CPU、純 GPU，也有異構(gòu)模式。

2. CV、NLP 任務，它的特點是常規(guī)樣本數(shù)據(jù)及大規(guī)模稠密參數(shù)，它適合用純 GPU 集合通信模式（Collective）?；诩?GPU 的集合通信模式的分布式訓練框架，伴隨著 Nvidia 的技術(shù)迭代，特別是 GPU 通信技術(shù)（GPU Direct RDMA）的進步，性能也變得愈來愈強。

廣告推薦中大規(guī)模分布式模型 為啥一兩百類的特征，我們卻總是聽說大規(guī)模特征？舉個例子，用戶 userid 這一維特征，比如系統(tǒng)中用戶有1億個，那么每個 id 實際上也可以當做一個獨立的特征對待。這樣一算，特征規(guī)模就上去了。這里就要重新理解 embedding 的概念了。對于模型而言，id 查了embedding表后得到向量，輸入進來進行計算，是對數(shù)據(jù)進行抽特征。如果類比到圖像分類，抽取 rgb 特征來分類 （一個值變成 3個255）

參數(shù)量卷到一百萬億！華人團隊開源史上最大的推薦訓練系統(tǒng)Persia 一般來說，推薦系統(tǒng)模型首先需要將不同的ID特征（如用戶ID和session ID）映射到一個固定長度的低維向量，而系統(tǒng)中的用戶ID、交叉特征數(shù)量都特別多，就需要更大規(guī)模的模型來捕獲特征和映射。但更大規(guī)模的embedding layer也需要更大的內(nèi)存來載入，不得不說大模型太費錢了！

有了embedding后，剩下的工作就簡單了，設計后續(xù)layer來適配不同的任務。通常只占據(jù)整個模型的0.1%，無需大內(nèi)存，主要是一些計算密集型的工作。

在實現(xiàn)上

1. 推理服務在運行時 也會訪問ps （distributed inference），根據(jù) ID feature 查詢對應的 embedding 向量。當然，有的框架直接將 ps 組件的功能內(nèi)嵌到各個worker 上了。

2. 針對 大模型 包含 embedding layer的場景，input 層和 embedding 層之間不是全連接的，而是一個 embedding_lookup 的Op

3. 常規(guī)的dense 模型，input是一個一維向量。針對多個id feature，為了 確保與模型的input 層對齊，input 實際變成了一個 map<string,tensor>，key 為id feature 名字，value 為id feature 值對應的 tensor。

1. 內(nèi)存墻。在計算過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡模型每一層的卷積或者全連接計算，都會把權(quán)重W_m長期保存下來，用作網(wǎng)絡的權(quán)重參數(shù)更新（靜態(tài)內(nèi)存）。另外針對諸如ADAM的優(yōu)化器，會存儲優(yōu)化器的動量等信息，用于優(yōu)化器計算（動態(tài)內(nèi)存）。一塊有16G顯存的AI芯片，最大能塞滿20+億參數(shù)的模型，但是這時候已經(jīng)沒有額外空間，留給動態(tài)內(nèi)存進行分配啦。靜態(tài)內(nèi)存和動態(tài)內(nèi)存都可能造成內(nèi)存墻的問題。

2. 通訊墻。大模型通過模型并行、流水線并行切分到AI集群后，通訊便成了主要的性能瓶頸。隨著機器規(guī)模的擴大，基于同步的All Reduce通訊聚合方式，會因為大量的AI芯片和服務器之間頻繁進行同步，出現(xiàn)水桶效應，也就是最慢的一路通訊，將會決定整個AI集群的通訊的高度。如果采用目前比較流行的Ring-AllReduce的通信聚合方式，當通訊的環(huán)越大，通訊的延長將會不斷地被擴大。另外網(wǎng)絡協(xié)議的多次握手的方式，諸如此類的開銷會導致訓練無法有效利用帶寬。

3. 性能墻。性能墻呢主要是指計算資源利用率的問題。隨著大模型的提出，對算力需求更加迫切，理論上在4K的集群上每塊卡快1分鐘，總體就快了68個小時。大模型會增加對算力的需求，但是隨著大模型引入各項分布式并行技術(shù)的同時，會降低計算資源的利用率。

1. 算子層(Operator Level)：小算子過多，可以通過算子融合進行優(yōu)化；子實現(xiàn)不夠高效，類似于卷積CONV算子針對2x2和3x3 Kernel大小的使用Winograd算法代替；內(nèi)存局部性差，對算子和內(nèi)存的開銷進行分析，可以對計算時算子輸出有相同的shape進行復用。

2. 圖層(Graph Level)：如何搜索和切分處計算效率更高的子圖，分配到不同的機器上進行計算；數(shù)據(jù)在通訊和內(nèi)存之間如何增加overlay重疊部分，提高單卡整體的計算率。

3. 任務層(Task Level)：在任務層級，性能的瓶頸從計算轉(zhuǎn)移到了通信，如何降低通信量，縮減通信域規(guī)模，盡可能把通信時延隱藏在計算中，是大規(guī)模訓練的核心關(guān)注點。

4. 調(diào)優(yōu)墻。所以在數(shù)千節(jié)點的集群上，需要考慮到提升算法工程師分布式調(diào)試調(diào)優(yōu)的效率，另外還要考慮降低工程師對大模型進行并行切分的難度。除了對人的考慮，還要對硬件集群的管理，需要保證計算的正確性、性能、可用性。要是有一臺機器壞了，如何快速恢復訓練中的參數(shù)。

淺談工業(yè)界分布式訓練（一） 除了上述的數(shù)據(jù)量級大，不同場景下分布式訓練的痛點 對CV和NLP場景

1. CV和NLP場景模型復雜，單機性能要求高，比如卷積的計算時間在CPU上和 GPU上相差十倍到幾十倍。==> 業(yè)界主要使用高性能的GPU進行計算，并采用All-reduce的通信拓撲進行參數(shù)的同步更新。

2. 模型大（DenseNet部分），比如NLP領域，GPT-3這樣的模型高達1750億參數(shù)，顯存占用高達2.8 TB，單機內(nèi)存無法容納。而Bert-Large雖然只有3.4億參數(shù)規(guī)模，但由于各種內(nèi)存占用，在16G V100上，訓練也僅能使用batch Size=8。==> 當面對GPT-3這種DenseNet部分大的模型，Allreduce 單卡內(nèi)存無法容納，我們需要采用模型并行(model parallelism)的方式將計算圖劃分到不同的設備上構(gòu)建有向無環(huán)圖(DAG)進行分布式訓練，其中Gpipe, Megatron, Oneflow和Whale都提出模型并行的相關(guān)解決方案。相比于數(shù)據(jù)并行每個worker只有一部分數(shù)據(jù)，模型并行下每個node使用所有數(shù)據(jù).

1. Intra-layer parallelism(Tensor Parallelism) 。主要是將一層Layer中的矩陣計算分別拆分到不同的機器上進行運算，比如簡單的Y_1=W_1 X_1這一次矩陣乘法中，我們將模型參數(shù)W_1或者輸入數(shù)據(jù)X_1，按某個維度分別拆分到不同設備上計算，比如1D Megatron。

2. Inter-layer parallelism（Pipeline Parallelism）。而Inter-Layer Parallism會將模型的layers拆分到不同的機器上，則一次forward就需要跨過不同的機器串行地進行運算，而流行并行通過將batch size切分為更小的mirco batch，減少數(shù)據(jù)依賴，從而將整個計算過程異步起來，最大化資源利用率。舉例來說，在一個簡單的三層MLP中（的Y_i = W_i X_i, i=1,2,3）會存在三次矩陣乘法 W_i X_i，流水線并行會把W_i X_i分別分配到三臺機器上進行運算。

AI for Science的出現(xiàn)，讓高性能計算與AI融合成為剛需：

1. 數(shù)據(jù)并行。假如整個模型設兩個節(jié)點，一個模型節(jié)點0、另一個模型做的節(jié)點1，整個模型都做了數(shù)據(jù)并行，數(shù)據(jù)各一半要拿去訓練學習，但是要注意訓練完了以后不是最終的結(jié)果，因為只輸入了一半的數(shù)據(jù)。因此這中間要AII-Reduce

2. 模型并行。將整個模型切成一半，一半模型節(jié)點0，一半模型節(jié)點1，數(shù)據(jù)是整個拿去訓練。訓練完了以后出來的結(jié)果也不是最終結(jié)果，因為只訓練了一半的模型，出來還有AII-Gather，也是做通信的。 究竟用哪種并行方法呢？實際上這跟計算機結(jié)構(gòu)有關(guān)。如果每臺計算機之間通信都非?？?，那么用數(shù)據(jù)并行就可以；如果你的通信比較慢，就要考慮模型并行。因此，這些模型如何跟數(shù)據(jù)、機器實際情況匹配？這就涉及到軟硬件協(xié)

基于tensorflow做擴展支持大模型的做法

1. 在模型比較小的時候，比如100G以下，模型還有可能單機存儲。這個時候的方案是tensorflow分布式訓練+savedmodel，分布式訓練可以用多個ps(tensorflow自帶的)，資源管理可以用yarn。用分布式是由于樣本數(shù)大，同時多ps也能異步加速訓練。saved_model一般由chief worker保存，但存下來以后，會抹掉ps的痕跡，保存的模型跟單機訓練的一模一樣。

2. 當模型比較大的時候，這個時候要求的樣本數(shù)也更大，訓練完dump出來的模型會很大，一個單機放不下，尤其是embedding table。這個時候怎么辦？一個自然的思路就是，把訓練時候的ps拷貝同步一份給serving ps，線上由該ps做serving。注意后面談到的serving ps，都是自己開發(fā)或者根據(jù)某個開源軟件修改而成(比如ps-lite)。如果是天級模型，可以用tensorflow原生的worker和train ps，但依然用saved model方式把模型存放到hdfs，然后從hdfs讀入另外一個serving ps。如果是實時訓練，則serving ps還得跟訓練ps進行實時的網(wǎng)絡連接，在內(nèi)存就解決掉weight同步的處理，這個時候就不能用tensorflow原生的ps了，因為原生的ps沒有實現(xiàn)同步接口。ps變了，worker也得跟著變，worker大多數(shù)都是基于tensorflow的c++底層接口開發(fā)，底層用到tf的session接口。

針對上述的問題，各個大廠的訓練框架進行很多相關(guān)優(yōu)化，目前總結(jié)下來，核心的兩點，一個在于分布式通信拓撲的設計，還有一個在于Embedding Lookup的性能優(yōu)化。

只要單卡放的下，走數(shù)據(jù)并行，ps 或allreduce 都行，allreduce 通信成本小一些。若規(guī)模變大

1. 稀疏模型，稀疏參數(shù)特殊處理

1. 使用ps，加上一些稀疏tensor 的優(yōu)化，且將 embedding 存儲和更新 負擔轉(zhuǎn)嫁到 ps

2. 稠密參數(shù)allreduce，想辦法解決 稀疏tensor 的存儲、通信成本。比如 HybridBackend架構(gòu)中參數(shù)放在 worker 上：稠密參數(shù) replication 存放，每個 worker 都有副本，梯度更新時進行 allreduce；稀疏參數(shù) partition 存放，每個 worker 只有部分分片，梯度更新時進行 alltoall。allreduce 和 alltoall 都會使用 nccl 進行同步通信，效率較高。hb 進行 alltoall 時，通信的是稀疏梯度，而不是完整的參數(shù)，通信量上和 ps 是一致的，但是通信效率會更高。

1. 稠密模型，單卡無論如何也放不下了，就只能采取模型并行 及附屬的一些優(yōu)化方案

知乎高贊回答——為什么說大模型訓練很難？

1. 算子拆分 單個矩陣乘法可以分到兩個device上計算 Y = WX = [W1,W2]X = [W1X,W2X]。我們在工程上要做的就是：將切分到兩個device上，將復制到兩個device上，然后兩個device分別做矩陣乘法即可。有的時候，切分會帶來額外的通信，比如矩陣乘法切到了reduction維度上，為了保持語義正確，就必須再緊跟一個AllReduce通信。這里復雜之處在于，你不能無腦地將所有算子全部做拆分，因為拆分可能會引入一些額外通信，降低總體吞吐。所以你得做些分析，決定哪些算子被拆分，現(xiàn)在大部分框架都不支持這種全自動化策略，要么是半自動或純手工，要么是針對某種模型把它的拆分方案寫死。所以只能造輪子解決這個事

2. 流水并行 不切算子，而是將不同的Layer切分到不同的Device上，就可以形成Pipeline方案，GPipe就是這樣一種方案，提出了將一個batch拆分成若干個micro-batch，依次推入到Pipeline系統(tǒng)中，即可消除Bubble time。和算子拆分類似，全自動化方案工作量不小，比如Pipeline怎么切，才能讓通信量小，計算還能均勻，這需要一定的算法和工程量

搞定大模型訓練

我們的模型可能會很大，或者數(shù)據(jù)量會很大。僅僅用一塊GPU卡可能連模型都放不下，或者batch size只能設置的很小，但是我們知道有些情況下大的batch size往往會提供更好的效果。

1. 假設我們只有一個GPU，我們的模型一次只能輸入batch size為8的數(shù)據(jù)，那么我們怎么樣實現(xiàn)batch size為32的更新呢？那就需要時間換空間了，即我們訓練32/8=4步才去更新模型，也就是所謂的梯度累積。

2. Gradient-Checkpointing， 那么如果你的GPU連batch size為1都跑不了怎么辦？我們在訓練深度學習模型的時候，需要先做前向傳播，然后將中間得到的激活值存儲在內(nèi)存中，然后反向傳播的時候再根據(jù)loss和激活值計算梯度。也就是說內(nèi)存消耗其實跟模型的層數(shù)線性相關(guān)。那么怎么減少這個內(nèi)存消耗呢？最簡單的想法就是我不存這些中間信息，計算梯度的時候，到了某一層我重新計算它的激活值，這個方法雖然可以讓內(nèi)存消耗是個常量，但是運行時間會是O(n^2)，這是沒法接受的。那么就有一個折中的辦法，我不存全部的中間數(shù)據(jù)，只存部分，那么我們在計算梯度的時候不需要從頭計算了，只需要從最近的checkpoint點計算就好。

3. 我們訓練模型一般都是用單精度(FP32)的參數(shù)，但是其實我們還使用半精度(FP16)。半精度可以降低內(nèi)存消耗，從而訓練更大的模型或者使用更大的batch size；同時運算時間受內(nèi)存和算術(shù)帶寬的限制，在有些gpu(Tensor cores)上可以為半精度提供更大的算術(shù)帶寬，從而提高訓練效率，減少inference用時。

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