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?yàn)镹LP拋棄了RNN序列依賴的問(wèn)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(lǐng)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(yù)訓(xùn)練方案。目前AI面對(duì)行業(yè)、業(yè)務(wù)場(chǎng)景很多，人工智能需求正呈現(xiàn)出碎片化、多樣化的特點(diǎn)。從開發(fā)、調(diào)參、優(yōu)化、迭代到應(yīng)用，AI模型研發(fā)成本極高，且難以滿足市場(chǎng)定制化需求，所以網(wǎng)上有的人會(huì)說(shuō)現(xiàn)階段的AI模型研發(fā)處于手工作坊式?；旧弦粋€(gè)公司想要用AI賦能自身的業(yè)務(wù)，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(yù)訓(xùn)練大模型+下游任務(wù)微調(diào)”的方式。大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練可以有效地從大量標(biāo)記和未標(biāo)記的數(shù)據(jù)中捕獲知識(shí)，通過(guò)將知識(shí)存儲(chǔ)到大量的參數(shù)中并對(duì)特定任務(wù)進(jìn)行微調(diào)，極大地?cái)U(kuò)展了模型的泛化能力。例如，在NLP領(lǐng)域，預(yù)訓(xùn)練大模型共享了預(yù)訓(xùn)任務(wù)和部分下游任務(wù)的參數(shù)，在一定程度上解決了通用性的難題，可以被應(yīng)用于翻譯，問(wèn)答，文本生成等自然語(yǔ)言任務(wù)。PS：手工作坊式 ==> 工廠模式，一個(gè)大模型替代之前幾十個(gè)專門小模型。

2. 大模型具備自監(jiān)督學(xué)習(xí)功能，降低訓(xùn)練研發(fā)成本。大模型的自監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，可以減少數(shù)據(jù)標(biāo)注，在一定程度上解決了人工標(biāo)注成本高、周期長(zhǎng)、準(zhǔn)確度不高的問(wèn)題。

3. 大模型有望進(jìn)一步突破現(xiàn)有模型結(jié)構(gòu)的精度局限。從深度學(xué)習(xí)發(fā)展前10年的歷程來(lái)看，模型精度提升，主要依賴網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上的變革。例如，從AlexNet到ResNet50，再到NAS搜索出來(lái)的EfficientNet，ImageNet Top-1 精度從58提升到了84。但是，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，逐漸成熟并趨于收斂，想要通過(guò)優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而打破精度局限非常困難。近年來(lái)，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(jìn)一步提升，研究實(shí)驗(yàn)表明，模型和數(shù)據(jù)規(guī)模的增大確實(shí)能突破現(xiàn)有精度的一個(gè)局限。

二、什么是大模型

TensorFlow在推薦系統(tǒng)中的分布式訓(xùn)練優(yōu)化實(shí)踐隨著美團(tuán)業(yè)務(wù)的發(fā)展，推薦系統(tǒng)模型的規(guī)模和復(fù)雜度也在快速增長(zhǎng)，具體表現(xiàn)如下：

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

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

3. 模型復(fù)雜度：越來(lái)越復(fù)雜，模型單步計(jì)算時(shí)間增長(zhǎng)10倍以上。對(duì)于大流量業(yè)務(wù)，一次訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，從幾個(gè)小時(shí)增長(zhǎng)到了幾天，而此場(chǎng)景一次實(shí)驗(yàn)保持在1天之內(nèi)是基本的需求。

深度學(xué)習(xí)分布式訓(xùn)練的現(xiàn)狀及未來(lái)大模型主要分為兩類：

1. 搜索、推薦、廣告類任務(wù)，它的特點(diǎn)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(wù)器模式（PS）；參數(shù)服務(wù)器模式從第一代 Alex Smola 在 2010 年提出的 LDA（文本挖掘領(lǐng)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(duì)成熟的現(xiàn)代 Parameter Server 架構(gòu)，再到后來(lái)的百花齊放：Uber 的 Horvod，阿里的 XDL、PAI，Meta 的 DLRM，字節(jié)的 BytePs、美團(tuán)基于 Tensorlow 做的各種適配等等。參數(shù)服務(wù)器的功能日趨完善，性能也越來(lái)越強(qiáng)，有純 CPU、純 GPU，也有異構(gòu)模式。

2. CV、NLP 任務(wù)，它的特點(diǎn)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(xùn)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(jìn)步，性能也變得愈來(lái)愈強(qiáng)。

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(shuō)大規(guī)模特征？舉個(gè)例子，用戶 userid 這一維特征，比如系統(tǒng)中用戶有1億個(gè)，那么每個(gè) id 實(shí)際上也可以當(dāng)做一個(gè)獨(dú)立的特征對(duì)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(duì)于模型而言，id 查了embedding表后得到向量，輸入進(jìn)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽特征。如果類比到圖像分類，抽取 rgb 特征來(lái)分類 （一個(gè)值變成 3個(gè)255）

參數(shù)量卷到一百萬(wàn)億！華人團(tuán)隊(duì)開源史上最大的推薦訓(xùn)練系統(tǒng)Persia 一般來(lái)說(shuō)，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(gè)固定長(zhǎng)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(lái)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(lái)載入，不得不說(shuō)大模型太費(fèi)錢了！

有了embedding后，剩下的工作就簡(jiǎn)單了，設(shè)計(jì)后續(xù)layer來(lái)適配不同的任務(wù)。通常只占據(jù)整個(gè)模型的0.1%，無(wú)需大內(nèi)存，主要是一些計(jì)算密集型的工作。

在實(shí)現(xiàn)上

1. 推理服務(wù)在運(yùn)行時(shí) 也會(huì)訪問(wèn)ps （distributed inference），根據(jù) ID feature 查詢對(duì)應(yīng)的 embedding 向量。當(dāng)然，有的框架直接將 ps 組件的功能內(nèi)嵌到各個(gè)worker 上了。

2. 針對(duì) 大模型 包含 embedding layer的場(chǎng)景，input 層和 embedding 層之間不是全連接的，而是一個(gè) embedding_lookup 的Op

3. 常規(guī)的dense 模型，input是一個(gè)一維向量。針對(duì)多個(gè)id feature，為了 確保與模型的input 層對(duì)齊，input 實(shí)際變成了一個(gè) map<string,tensor>，key 為id feature 名字，value 為id feature 值對(duì)應(yīng)的 tensor。

1. 內(nèi)存墻。在計(jì)算過(guò)程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型每一層的卷積或者全連接計(jì)算，都會(huì)把權(quán)重W_m長(zhǎng)期保存下來(lái)，用作網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重參數(shù)更新（靜態(tài)內(nèi)存）。另外針對(duì)諸如ADAM的優(yōu)化器，會(huì)存儲(chǔ)優(yōu)化器的動(dòng)量等信息，用于優(yōu)化器計(jì)算（動(dòng)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(shí)候已經(jīng)沒(méi)有額外空間，留給動(dòng)態(tài)內(nèi)存進(jìn)行分配啦。靜態(tài)內(nèi)存和動(dòng)態(tài)內(nèi)存都可能造成內(nèi)存墻的問(wèn)題。

2. 通訊墻。大模型通過(guò)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(jī)器規(guī)模的擴(kuò)大，基于同步的All Reduce通訊聚合方式，會(huì)因?yàn)榇罅康腁I芯片和服務(wù)器之間頻繁進(jìn)行同步，出現(xiàn)水桶效應(yīng)，也就是最慢的一路通訊，將會(huì)決定整個(gè)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(dāng)通訊的環(huán)越大，通訊的延長(zhǎng)將會(huì)不斷地被擴(kuò)大。另外網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的多次握手的方式，諸如此類的開銷會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練無(wú)法有效利用帶寬。

3. 性能墻。性能墻呢主要是指計(jì)算資源利用率的問(wèn)題。隨著大模型的提出，對(duì)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(gè)小時(shí)。大模型會(huì)增加對(duì)算力的需求，但是隨著大模型引入各項(xiàng)分布式并行技術(shù)的同時(shí)，會(huì)降低計(jì)算資源的利用率。

1. 算子層(Operator Level)：小算子過(guò)多，可以通過(guò)算子融合進(jìn)行優(yōu)化；子實(shí)現(xiàn)不夠高效，類似于卷積CONV算子針對(duì)2x2和3x3 Kernel大小的使用Winograd算法代替；內(nèi)存局部性差，對(duì)算子和內(nèi)存的開銷進(jìn)行分析，可以對(duì)計(jì)算時(shí)算子輸出有相同的shape進(jìn)行復(fù)用。

2. 圖層(Graph Level)：如何搜索和切分處計(jì)算效率更高的子圖，分配到不同的機(jī)器上進(jìn)行計(jì)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(jì)算率。

3. 任務(wù)層(Task Level)：在任務(wù)層級(jí)，性能的瓶頸從計(jì)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(shí)延隱藏在計(jì)算中，是大規(guī)模訓(xùn)練的核心關(guān)注點(diǎn)。

4. 調(diào)優(yōu)墻。所以在數(shù)千節(jié)點(diǎn)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(duì)大模型進(jìn)行并行切分的難度。除了對(duì)人的考慮，還要對(duì)硬件集群的管理，需要保證計(jì)算的正確性、性能、可用性。要是有一臺(tái)機(jī)器壞了，如何快速恢復(fù)訓(xùn)練中的參數(shù)。

淺談工業(yè)界分布式訓(xùn)練（一） 除了上述的數(shù)據(jù)量級(jí)大，不同場(chǎng)景下分布式訓(xùn)練的痛點(diǎn) 對(duì)CV和NLP場(chǎng)景

1. CV和NLP場(chǎng)景模型復(fù)雜，單機(jī)性能要求高，比如卷積的計(jì)算時(shí)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(jìn)行計(jì)算，并采用All-reduce的通信拓?fù)溥M(jìn)行參數(shù)的同步更新。

2. 模型大（DenseNet部分），比如NLP領(lǐng)域，GPT-3這樣的模型高達(dá)1750億參數(shù)，顯存占用高達(dá)2.8 TB，單機(jī)內(nèi)存無(wú)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(xùn)練也僅能使用batch Size=8。==> 當(dāng)面對(duì)GPT-3這種DenseNet部分大的模型，Allreduce 單卡內(nèi)存無(wú)法容納，我們需要采用模型并行(model parallelism)的方式將計(jì)算圖劃分到不同的設(shè)備上構(gòu)建有向無(wú)環(huán)圖(DAG)進(jìn)行分布式訓(xùn)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(gè)worker只有一部分?jǐn)?shù)據(jù)，模型并行下每個(gè)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(jì)算分別拆分到不同的機(jī)器上進(jìn)行運(yùn)算，比如簡(jiǎn)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(gè)維度分別拆分到不同設(shè)備上計(jì)算，比如1D Megatron。

2. Inter-layer parallelism（Pipeline Parallelism）。而Inter-Layer Parallism會(huì)將模型的layers拆分到不同的機(jī)器上，則一次forward就需要跨過(guò)不同的機(jī)器串行地進(jìn)行運(yùn)算，而流行并行通過(guò)將batch size切分為更小的mirco batch，減少數(shù)據(jù)依賴，從而將整個(gè)計(jì)算過(guò)程異步起來(lái)，最大化資源利用率。舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)簡(jiǎn)單的三層MLP中（的Y_i = W_i X_i, i=1,2,3）會(huì)存在三次矩陣乘法 W_i X_i，流水線并行會(huì)把W_i X_i分別分配到三臺(tái)機(jī)器上進(jìn)行運(yùn)算。

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

1. 數(shù)據(jù)并行。假如整個(gè)模型設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)模型節(jié)點(diǎn)0、另一個(gè)模型做的節(jié)點(diǎn)1，整個(gè)模型都做了數(shù)據(jù)并行，數(shù)據(jù)各一半要拿去訓(xùn)練學(xué)習(xí)，但是要注意訓(xùn)練完了以后不是最終的結(jié)果，因?yàn)橹惠斎肓艘话氲臄?shù)據(jù)。因此這中間要AII-Reduce

2. 模型并行。將整個(gè)模型切成一半，一半模型節(jié)點(diǎn)0，一半模型節(jié)點(diǎn)1，數(shù)據(jù)是整個(gè)拿去訓(xùn)練。訓(xùn)練完了以后出來(lái)的結(jié)果也不是最終結(jié)果，因?yàn)橹挥?xùn)練了一半的模型，出來(lái)還有AII-Gather，也是做通信的。 究竟用哪種并行方法呢？實(shí)際上這跟計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。如果每臺(tái)計(jì)算機(jī)之間通信都非常快，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(jī)器實(shí)際情況匹配？這就涉及到軟硬件協(xié)

基于tensorflow做擴(kuò)展支持大模型的做法

1. 在模型比較小的時(shí)候，比如100G以下，模型還有可能單機(jī)存儲(chǔ)。這個(gè)時(shí)候的方案是tensorflow分布式訓(xùn)練+savedmodel，分布式訓(xùn)練可以用多個(gè)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(shí)多ps也能異步加速訓(xùn)練。saved_model一般由chief worker保存，但存下來(lái)以后，會(huì)抹掉ps的痕跡，保存的模型跟單機(jī)訓(xùn)練的一模一樣。

2. 當(dāng)模型比較大的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候要求的樣本數(shù)也更大，訓(xùn)練完dump出來(lái)的模型會(huì)很大，一個(gè)單機(jī)放不下，尤其是embedding table。這個(gè)時(shí)候怎么辦？一個(gè)自然的思路就是，把訓(xùn)練時(shí)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(gè)開源軟件修改而成(比如ps-lite)。如果是天級(jí)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(gè)serving ps。如果是實(shí)時(shí)訓(xùn)練，則serving ps還得跟訓(xùn)練ps進(jìn)行實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)連接，在內(nèi)存就解決掉weight同步的處理，這個(gè)時(shí)候就不能用tensorflow原生的ps了，因?yàn)樵膒s沒(méi)有實(shí)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(duì)上述的問(wèn)題，各個(gè)大廠的訓(xùn)練框架進(jìn)行很多相關(guān)優(yōu)化，目前總結(jié)下來(lái)，核心的兩點(diǎn)，一個(gè)在于分布式通信拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，還有一個(gè)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(chǔ)和更新 負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)嫁到 ps

2. 稠密參數(shù)allreduce，想辦法解決 稀疏tensor 的存儲(chǔ)、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(gè) worker 都有副本，梯度更新時(shí)進(jìn)行 allreduce；稀疏參數(shù) partition 存放，每個(gè) worker 只有部分分片，梯度更新時(shí)進(jìn)行 alltoall。allreduce 和 alltoall 都會(huì)使用 nccl 進(jìn)行同步通信，效率較高。hb 進(jìn)行 alltoall 時(shí)，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(huì)更高。

1. 稠密模型，單卡無(wú)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(shuō)大模型訓(xùn)練很難？

1. 算子拆分 單個(gè)矩陣乘法可以分到兩個(gè)device上計(jì)算 Y = WX = [W1,W2]X = [W1X,W2X]。我們?cè)诠こ躺弦龅木褪牵簩⑶蟹值絻蓚€(gè)device上，將復(fù)制到兩個(gè)device上，然后兩個(gè)device分別做矩陣乘法即可。有的時(shí)候，切分會(huì)帶來(lái)額外的通信，比如矩陣乘法切到了reduction維度上，為了保持語(yǔ)義正確，就必須再緊跟一個(gè)AllReduce通信。這里復(fù)雜之處在于，你不能無(wú)腦地將所有算子全部做拆分，因?yàn)椴鸱挚赡軙?huì)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(dòng)化策略，要么是半自動(dòng)或純手工，要么是針對(duì)某種模型把它的拆分方案寫死。所以只能造輪子解決這個(gè)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(gè)batch拆分成若干個(gè)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(dòng)化方案工作量不小，比如Pipeline怎么切，才能讓通信量小，計(jì)算還能均勻，這需要一定的算法和工程量

搞定大模型訓(xùn)練

我們的模型可能會(huì)很大，或者數(shù)據(jù)量會(huì)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(shè)置的很小，但是我們知道有些情況下大的batch size往往會(huì)提供更好的效果。

1. 假設(shè)我們只有一個(gè)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?cè)趺礃訉?shí)現(xiàn)batch size為32的更新呢？那就需要時(shí)間換空間了，即我們訓(xùn)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?cè)谟?xùn)練深度學(xué)習(xí)模型的時(shí)候，需要先做前向傳播，然后將中間得到的激活值存儲(chǔ)在內(nèi)存中，然后反向傳播的時(shí)候再根據(jù)loss和激活值計(jì)算梯度。也就是說(shuō)內(nèi)存消耗其實(shí)跟模型的層數(shù)線性相關(guān)。那么怎么減少這個(gè)內(nèi)存消耗呢？最簡(jiǎn)單的想法就是我不存這些中間信息，計(jì)算梯度的時(shí)候，到了某一層我重新計(jì)算它的激活值，這個(gè)方法雖然可以讓內(nèi)存消耗是個(gè)常量，但是運(yùn)行時(shí)間會(huì)是O(n^2)，這是沒(méi)法接受的。那么就有一個(gè)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?cè)谟?jì)算梯度的時(shí)候不需要從頭計(jì)算了，只需要從最近的checkpoint點(diǎn)計(jì)算就好。

3. 我們訓(xùn)練模型一般都是用單精度(FP32)的參數(shù)，但是其實(shí)我們還使用半精度(FP16)。半精度可以降低內(nèi)存消耗，從而訓(xùn)練更大的模型或者使用更大的batch size；同時(shí)運(yùn)算時(shí)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(xùn)練效率，減少inference用時(shí)。

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