全面解析大規(guī)模深度學(xué)習(xí)優(yōu)化策略在PAI中實(shí)踐應(yīng)用 | 云棲2017深圳

本文作者： AI科技評論

編輯：谷磊

2017-03-29 22:40

專題：2017云棲大會·深圳峰會

導(dǎo)語：大規(guī)模深度學(xué)習(xí)優(yōu)化是一個方興未艾的技術(shù)方向，無論是工業(yè)界還是學(xué)術(shù)界在對這個領(lǐng)域都有著極高的關(guān)注度，圍繞這個主題也涌現(xiàn)出若干個成功的start-up

雷鋒網(wǎng)AI科技評論按：3月29日，阿里云在云棲大會·深圳峰會上重磅亮相了阿里“NASA”首個武器：機(jī)器學(xué)習(xí)平臺PAI2.0 ，接下來，本文會扼要介紹一下在PAI里實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模深度學(xué)習(xí)的優(yōu)化策略。

1、前言

自2012年Deep Learning的代表模型AlexNet^[1]在ImageNet大賽中力壓亞軍，以超過10個百分點(diǎn)的絕對優(yōu)勢奪得頭籌之后，依托于建模技術(shù)的進(jìn)步^[2][3]、硬件計算能力的提升^[4]、優(yōu)化技術(shù)的進(jìn)步^{[5][6][7][8][9]}^[10]以及海量數(shù)據(jù)的累積^[11]，Deep Learning在語音^[3][12][13]、圖像^[1][2]以及文本^[14][15][16]等多個領(lǐng)域不斷推進(jìn)，相較于傳統(tǒng)作法取得了顯著的效果提升。

工業(yè)界和學(xué)術(shù)界也先后推出了用于Deep Learning建模用途的開源工具和框架，包括Caffe、Theano、Torch、MXNet、TensorFlow、Chainer、CNTK等等。其中MXNet、TensorFlow以及CNTK均對于訓(xùn)練過程提供了多機(jī)分布式支持，在相當(dāng)大程度上解放了DL建模同學(xué)的生產(chǎn)力。但是，DL領(lǐng)域的建模技術(shù)突飛猛進(jìn)，模型復(fù)雜度也不斷增加。

從模型的深度來看，以圖像識別領(lǐng)域?yàn)槔?2年的經(jīng)典模型AlexNet由5個卷積層，3個全連接層構(gòu)成（圖1），在當(dāng)時看來已經(jīng)算是比較深的復(fù)雜模型，而到了15年，微軟亞洲研究院則推出了由151個卷積層構(gòu)成的極深網(wǎng)絡(luò)ResNet（圖2）；從模型的尺寸來看，在機(jī)器翻譯領(lǐng)域，即便是僅僅由單層雙向encoder，單層decoder構(gòu)成的NMT模型（圖3），在阿里巴巴的一個內(nèi)部訓(xùn)練場景下，模型尺寸也達(dá)到了3GB左右的規(guī)模。

從模型的計算量來看，上面提到的機(jī)器翻譯模型在單塊M40 NVIDIA GPU^[17]上，完成一次完整訓(xùn)練，也需要耗時近三周。Deep Learning通過設(shè)計復(fù)雜模型，依托于海量數(shù)據(jù)的表征能力，從而獲取相較于經(jīng)典shallow模型更優(yōu)的模型表現(xiàn)的建模策略對于底層訓(xùn)練工具提出了更高的要求。

現(xiàn)有的開源工具，往往會在性能上、顯存支持上、生態(tài)系統(tǒng)的完善性上存在不同層面的不足，在使用效率上對于普通的算法建模用戶并不夠友好。阿里云推出的PAI(Platform of Artificial Intelligence)^[18]產(chǎn)品則致力于通過系統(tǒng)與算法協(xié)同優(yōu)化的方式，來有效解決Deep Learning訓(xùn)練工具的使用效率問題，目前PAI集成了TensorFlow、Caffe、MXNet這三款流行的Deep Learning框架，并針對這幾款框架做了定制化的性能優(yōu)化支持，以求更好的解決用戶建模的效率問題。

這些優(yōu)化目前都已經(jīng)應(yīng)用在阿里巴巴內(nèi)部的諸多業(yè)務(wù)場景里，包括黃圖識別、OCR識別、機(jī)器翻譯、智能問答等，這些業(yè)務(wù)場景下的某些建模場景會涉及到幾十億條規(guī)模的訓(xùn)練樣本，數(shù)GB的模型尺寸，均可以在我們的優(yōu)化策略下很好地得到支持和滿足。經(jīng)過內(nèi)部大規(guī)模數(shù)據(jù)及模型場景的檢測之后，我們也期望將這些能力輸出，更好地賦能給阿里外部的AI從業(yè)人員。

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圖1. AlexNet模型示例

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圖2. 36層的ResNet模型示例

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圖3. NMT模型架構(gòu)示例

接下來，本文會向雷鋒網(wǎng)的網(wǎng)友們扼要介紹一下在PAI里實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模深度學(xué)習(xí)的優(yōu)化策略。

2、大規(guī)模深度學(xué)習(xí)優(yōu)化策略在PAI中實(shí)踐應(yīng)用

大規(guī)模深度學(xué)習(xí)作為一個交叉領(lǐng)域，涉及到分布式計算、操作系統(tǒng)、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、數(shù)值優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)建模、編譯器技術(shù)等多個領(lǐng)域。按照優(yōu)化的側(cè)重點(diǎn)，可以將優(yōu)化策略劃分為如下幾種：

I. 計算優(yōu)化

II. 顯存優(yōu)化

III. 通信優(yōu)化

IV. 性能預(yù)估模型

V 軟硬件協(xié)同優(yōu)化

PAI平臺目前主要集中在顯存優(yōu)化、通信優(yōu)化、性能預(yù)估模型、軟硬件協(xié)同優(yōu)化這四個優(yōu)化方向。

1). 顯存優(yōu)化

內(nèi)存優(yōu)化主要關(guān)心的是GPU顯存優(yōu)化的議題，在Deep Learning訓(xùn)練場景，其計算任務(wù)的特點(diǎn)（大量的滿足SIMD特性的矩陣浮點(diǎn)運(yùn)算執(zhí)行序列，控制邏輯通常比較簡單）決定了通常我們會選擇GPU來作為計算設(shè)備，而GPU作為典型的高通量異構(gòu)計算設(shè)備，其硬件設(shè)計約束決定了其顯存資源往往是比較稀缺的，目前在PAI平臺上提供的中檔M40顯卡的顯存只有12GB，而復(fù)雜度較高的模型則很容易達(dá)到M40顯存的臨界值，比如151層的ResNet、阿里巴巴內(nèi)部用于中文OCR識別的一款序列模型以及機(jī)器翻譯模型。

從建模同學(xué)的角度來看，顯存并不應(yīng)該是他們關(guān)心的話題，PAI在顯存優(yōu)化上做了一系列工作，期望能夠解放建模同學(xué)的負(fù)擔(dān)，讓建模同學(xué)在模型尺寸上獲得更廣闊的建模探索空間。在內(nèi)存優(yōu)化方面，通過引入task-specific的顯存分配器以及自動化模型分片框架支持，在很大程度上緩解了建模任務(wù)在顯存消耗方面的約束。其中自動化模型分片框架會根據(jù)具體的模型網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，預(yù)估出其顯存消耗量，然后對模型進(jìn)行自動化切片，實(shí)現(xiàn)模型并行的支持，在完成自動化模型分片的同時，我們的框架還會考慮到模型分片帶來的通信開銷，通過啟發(fā)式的方法在大模型的承載能力和計算效率之間獲得較優(yōu)的trade-off。

2). 通信優(yōu)化

大規(guī)模深度學(xué)習(xí)，或者說大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域里一個永恒的話題就是如何通過多機(jī)分布式對訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行加速。而機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練任務(wù)的多遍迭代式通信的特點(diǎn)，使得經(jīng)典的map-reduce式的并行數(shù)據(jù)處理方式并不適合這個場景。對于以單步小批量樣本作為訓(xùn)練單位步的深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練任務(wù)，這個問題就更突出了。

依據(jù)Amdahl’s law^[19]，一個計算任務(wù)性能改善的程度取決于可以被改進(jìn)的部分在整個任務(wù)執(zhí)行時間中所占比例的大小。而深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練任務(wù)的多機(jī)分布式往往會引入額外的通信開銷，使得系統(tǒng)內(nèi)可被提速的比例縮小，相應(yīng)地束縛了分布式所能帶來的性能加速的收益。

在PAI里，我們通過pipeline communication、late-multiply、hybrid-parallelism以及heuristic-based model average等多種優(yōu)化策略對分布式訓(xùn)練過程中的通信開銷進(jìn)行了不同程度的優(yōu)化，并在公開及in-house模型上取得了比較顯著的收斂加速比提升。

在Pipeline communication（圖4）里，通過將待通信數(shù)據(jù)（模型及梯度）切分成一個個小的數(shù)據(jù)塊并在多個計算結(jié)點(diǎn)之間充分流動起來，可以突破單機(jī)網(wǎng)卡的通信帶寬極限，將一定尺度內(nèi)將通信開銷控制在常量時間復(fù)雜度。

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圖4. Pipeline communication

在Late-multiply里，針對全連接層計算量小，模型尺寸大的特點(diǎn)，我們對于多機(jī)之間的梯度匯總邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，將“多個worker計算本地梯度，在所有結(jié)點(diǎn)之間完成信息交互”（圖5）的分布式邏輯調(diào)整為“多個worker將全連接層的上下兩層layer的后向傳播梯度及激活值在所有計算結(jié)點(diǎn)之間完成信息交互”（圖6），當(dāng)全連接層所包含的隱層神經(jīng)元很多時，會帶來比較顯著的性能提升。

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圖5. Without late-multiply

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圖6. With late-multiply

在Hybrid-parallelism里，針對不同模型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，我們引入了數(shù)據(jù)并行與模型并行的混合策略，針對計算占比高的部分應(yīng)用數(shù)據(jù)并行，針對模型通信量大的部分應(yīng)用模型并行，在多機(jī)計算加速與減少通信開銷之間獲得了較好的平衡點(diǎn)。通過圖7，可以看到將這個優(yōu)化策略應(yīng)用在TensorFlow里AlexNet模型的具體體現(xiàn)。全面解析大規(guī)模深度學(xué)習(xí)優(yōu)化策略在PAI中實(shí)踐應(yīng)用 | 云棲2017深圳

圖7. AlexNet with hybrid-parallelism

3). 性能預(yù)估模型

對于建模人員來說，他們關(guān)心的往往是以最具性價比的方式完成他們的建模訓(xùn)練任務(wù)，而不是用多少張卡，以什么樣的分布式執(zhí)行策略來完成他們的訓(xùn)練任務(wù)。而目前Deep Learning訓(xùn)練工具以及訓(xùn)練任務(wù)的復(fù)雜性，使得建模人員往往不得不透過leaky abstraction的管道，去關(guān)心為了完成他們的一個建模實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該使用多少張GPU卡，多少個 CPU核、什么樣的通信介質(zhì)以及選擇哪種分布式執(zhí)行策略，才能有效地完成自己的訓(xùn)練任務(wù)。

基于性能預(yù)估模型，我們期望能夠?qū)⒔Ｈ藛T從具體的訓(xùn)練任務(wù)執(zhí)行細(xì)節(jié)中解放出來。具體來說，給定建模用戶的一個模型結(jié)構(gòu)，以及所期望花費(fèi)的費(fèi)用和時間，PAI平臺會采用模型+啟發(fā)式的策略預(yù)估出需要多少硬件資源，使用什么樣的分布式執(zhí)行策略可以盡可能逼近用戶的期望。

4). 軟硬件協(xié)同優(yōu)化

上面提到的3個優(yōu)化策略主要集中在任務(wù)的離線訓(xùn)練環(huán)節(jié)，而Deep Learning在具體業(yè)務(wù)場景的成功應(yīng)用，除了離線訓(xùn)練以外，也離不開在線布署環(huán)節(jié)。作為典型的復(fù)雜模型，無論是功耗、計算性能還是模型動態(tài)更新的開銷，Deep Learning模型為在線部署提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。在PAI平臺里，關(guān)于在線部署，我們除了軟件層面的優(yōu)化之后，也探索了軟硬件協(xié)同優(yōu)化的技術(shù)路線。目前在PAI平臺里，我們正在基于FPGA實(shí)現(xiàn)在線inference的軟硬件協(xié)同優(yōu)化。在PAI里實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同優(yōu)化的策略與業(yè)界其他同行的作法會有所不同，我們將這個問題抽象成一個domain-specific的定制硬件編譯優(yōu)化的問題，通過這種抽象，我們可以采取更為通用的方式來解決一大批問題，從而更為有效地滿足模型多樣性、場景多樣性的需求。

3、小結(jié)

大規(guī)模深度學(xué)習(xí)優(yōu)化是一個方興未艾的技術(shù)方向，無論是工業(yè)界還是學(xué)術(shù)界在對這個領(lǐng)域都有著極高的關(guān)注度，圍繞這個主題也涌現(xiàn)出若干個成功的start-up，通過在雷鋒網(wǎng)分享這篇文章，我們期望能夠讓PAI的終端用戶了解到為了提升用戶體驗(yàn)，改善用戶建模效率，我們在背后所做出的優(yōu)化努力。

今年5月份，NVIDIA GTC 2017北美主場會在硅谷舉行，PAI團(tuán)隊也會在硅谷現(xiàn)場給出一個以大規(guī)模深度學(xué)習(xí)優(yōu)化為主題的分享。今年7月份，在Strats+Hadoop World 2017大會上，PAI團(tuán)隊也會做一個相關(guān)主題的分享。也希望能夠以這篇文章為引子，以這篇個技術(shù)會議為渠道，跟國內(nèi)外更多從事相關(guān)領(lǐng)域工作的業(yè)界同行有更多交流和碰撞，一起來推進(jìn)大規(guī)模深度學(xué)習(xí)這個技術(shù)方向的進(jìn)展和建設(shè)。

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