機(jī)器學(xué)習(xí)并行化的自適應(yīng)、可組合與自動(dòng)化問題

CMU 機(jī)器人研究所張昊（Hao Zhang）博士論文新鮮出爐，主要圍繞著機(jī)器學(xué)習(xí)并行化的自適應(yīng)、可組合與自動(dòng)化問題展開。

隨著近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的創(chuàng)新不斷加速，SysML 的研究者已經(jīng)創(chuàng)建了在多個(gè)設(shè)備或計(jì)算節(jié)點(diǎn)上并行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的算法和系統(tǒng)。機(jī)器學(xué)習(xí)模型在結(jié)構(gòu)上變得越來越復(fù)雜，許多系統(tǒng)都試圖提供全面的性能。尤其是，機(jī)器學(xué)習(xí)擴(kuò)展通常會(huì)低估從一個(gè)適當(dāng)?shù)姆植疾呗杂成涞侥Ｐ退枰闹R(shí)與時(shí)間。此外，將并行訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)雜模型更是增加了非常規(guī)的開發(fā)成本，且性能通常低于預(yù)期。 近日，CMU 機(jī)器人研究所博士張昊公布了自己的博士學(xué)位論文《機(jī)器學(xué)習(xí)并行化的自適應(yīng)、可組合與自動(dòng)化》，旨在找出并解決并行 ML 技術(shù)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在可用性和性能方面的研究挑戰(zhàn)。 具體而言，該論文從可編程性、并行化表示、性能優(yōu)化、系統(tǒng)架構(gòu)和自動(dòng)并行化技術(shù)等幾方面對(duì)分布式并行 ML 展開了研究，并認(rèn)為分布式并行機(jī)器學(xué)習(xí)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔性和高效性。此外，該論文表明，并行 ML 的性能可以通過生成自適應(yīng) ML 模型結(jié)構(gòu)和集群資源范式的策略實(shí)現(xiàn)大幅度提升，同時(shí)通過將「如何并行化」這一核心問題形式化為端到端優(yōu)化目標(biāo)以及構(gòu)建可組合分布式 ML 系統(tǒng)來自動(dòng)優(yōu)化這類自適應(yīng)、自定義策略，進(jìn)而可以解決可用性挑戰(zhàn)。

論文鏈接：https://www.cs.cmu.edu/~hzhang2/files/hao_zhang_doctoral_dissertation.pdf 機(jī)器之心對(duì)該論文的核心內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，感興趣的讀者可以閱讀原論文。 論文內(nèi)容介紹 這篇論文主要由三部分組成，如下圖所示，第 1 部分（第三章 - 第五章）：在單個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)并行化層面，使用自適應(yīng)并行化理解和優(yōu)化并行機(jī)器學(xué)習(xí)性能；第 2 部分（第六章 - 第七章）：為機(jī)器學(xué)習(xí)并行開發(fā)統(tǒng)一的表示和可組合系統(tǒng)；第 3 部分（第八章）：機(jī)器學(xué)習(xí)并行化的自動(dòng)化。

論文結(jié)構(gòu)概覽 論文第一部分提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原則自適應(yīng)并行（adaptive parallelism），根據(jù)模型構(gòu)建要素（比如層）的特定 ML 屬性，將合適的并行化技術(shù)應(yīng)用于模型組成要素中。作者以 BERT 為例，總結(jié)出了實(shí)現(xiàn)這種自適應(yīng)的基本原理和三個(gè)核心概念，分別是子模型策略組合、多個(gè)并行化方面的系統(tǒng)優(yōu)化和資源感知。此外，作者推導(dǎo)出了一系列優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)方法，從不同層面去提升 ML 并行化。研究結(jié)果表明其顯著提高了 ML 訓(xùn)練在集群上的效率和可擴(kuò)展性。 第二部分對(duì)這種方法進(jìn)行了概述，并且面向機(jī)器學(xué)習(xí)并行化任務(wù)的兩個(gè)常見范式：?jiǎn)喂?jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)批處理和分布式機(jī)器學(xué)習(xí)并行，作者將機(jī)器學(xué)習(xí)的并行化表述為端到端的優(yōu)化問題，并尋找其自動(dòng)化的解決方法。作者提出了原則表征來表示兩類機(jī)器學(xué)習(xí)并行，以及可組合的系統(tǒng)架構(gòu) Cavs 與 AutoDist。它們能夠快速組合不可見模型的并行化策略，提升并行化表現(xiàn)，并簡(jiǎn)化并行機(jī)器學(xué)習(xí)程序。

Facebook AI 提出的 DETR 的架構(gòu)圖 在此基礎(chǔ)上，論文第三部分提出一個(gè)自動(dòng)并行化框架 AutoSync，用于自動(dòng)優(yōu)化數(shù)據(jù)并行分布訓(xùn)練中的同步策略。它實(shí)現(xiàn)了「開箱即用」的高性能，可以通過提出的表征進(jìn)行空間導(dǎo)航，并自動(dòng)識(shí)別同步策略，這些策略比現(xiàn)有的手工優(yōu)化系統(tǒng)的速度提高了 1.2-1.6 倍，降低了分布式 ML 的技術(shù)障礙，并幫助更大范圍的用戶訪問它?？偨Y(jié)來說，這篇論文提出的相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)驗(yàn)證了分布式環(huán)境下面向大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的端到端編譯系統(tǒng)的概念與原型實(shí)現(xiàn)。

AutoSync 策略的自動(dòng)優(yōu)化流程算法

AutoSync 中的策略空間包含了現(xiàn)有系統(tǒng)中的很多高級(jí)策略 語言模型的分布式預(yù)訓(xùn)練示例 預(yù)訓(xùn)練語言表征已成為 NLP 系統(tǒng)中最普遍、最關(guān)鍵的部分。使用與任務(wù)無關(guān)的語言模型框架，可以對(duì)從 web 抓取的未標(biāo)記文本進(jìn)行無監(jiān)督的訓(xùn)練，只需預(yù)測(cè)下一個(gè)單詞或句子。預(yù)訓(xùn)練表征可以靈活地應(yīng)用于下游任務(wù)，針對(duì)特定任務(wù)的損失和數(shù)據(jù)集進(jìn)行微調(diào)，或是通過少量上下文學(xué)習(xí)。 近年來，人們?cè)陂_發(fā)更強(qiáng)大的任務(wù)無關(guān) LM 架構(gòu)方面取得了巨大進(jìn)展，從單層詞向量表征到遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多層表征和上下文狀態(tài)，以及最新的基于遞歸 transformer 的架構(gòu)。 下圖展示了一個(gè)著名的例子——雙深度 Transformer（BERT）——屬于第三類。不管網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如何，語言模型通常包含許多參數(shù)，而這些參數(shù)是在大規(guī)模文本語料庫(kù)上訓(xùn)練出來的，這是因?yàn)樗鼈兊慕Ｄ芰﹄S其大小以及文本掃描量成正比。

假設(shè)我們對(duì)訓(xùn)練 BERT 感興趣，在基于 AWS 的 GPU 集群上使用 TensorFlow 等框架實(shí)現(xiàn)。我們可以使用最先進(jìn)的開源訓(xùn)練系統(tǒng)——Horovod，開始數(shù)據(jù)并行訓(xùn)練。 應(yīng)用 Horovod 轉(zhuǎn)換單機(jī) BERT 訓(xùn)練代碼，涉及將原始的框架內(nèi)置優(yōu)化器與 Horovod 修補(bǔ)的優(yōu)化器包裝在一起。然后 Horovod 會(huì)在集群節(jié)點(diǎn)上使用 collective allreduce 或 allgather 來平均和應(yīng)用梯度。

這些 TensorFlow+Horovod 代碼片段展示了 Horovod 如何給優(yōu)化器打補(bǔ)丁，以及如何為分布式訓(xùn)練進(jìn)行非常小的代碼改變。 雖然可能會(huì)在目標(biāo)集群上部署訓(xùn)練，但獲得的擴(kuò)展不太可能隨著添加更多資源而成比例增長(zhǎng)（理想情況下，線性擴(kuò)展與加速器的數(shù)量成比例增長(zhǎng)）：所有的語言模型都有嵌入層，這些層擁有很多模型參數(shù)，但在每個(gè)設(shè)備上的每次訓(xùn)練迭代中訪問很少，減少或聚集其梯度都會(huì)導(dǎo)致不必要的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作；BERT 中的 transformer 是矩陣參數(shù)化、計(jì)算密集型的，與 Horovod 中的常規(guī)做法一樣，將梯度分組在一個(gè)縮減環(huán)（reduction ring）中，很容易使以太網(wǎng)帶寬或異構(gòu)集群 (如 AWS) 的設(shè)備 Flops 飽和。 在這兩種情況下，設(shè)置都容易出現(xiàn)通信或計(jì)算混亂的情況，即訓(xùn)練時(shí)間的縮短無法令人滿意，花費(fèi)在訓(xùn)練上的計(jì)算資源成本在經(jīng)濟(jì)上也不能接受。這表明，并行化的常規(guī)目標(biāo)并沒有實(shí)現(xiàn)。 所以，本文提出的這種自適應(yīng)并行策略，能夠?yàn)椴⑿谢阅苓M(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。 作者介紹 張昊在今年 9 月 2 日完成了博士學(xué)位的論文答辯，導(dǎo)師為 CMU 教授、Petuum 創(chuàng)始人邢波（Eric Xing）。獲得 CMU 機(jī)器人研究所的博士學(xué)位后，他將以博士后身份進(jìn)入 UC 伯克利的 RISE 實(shí)驗(yàn)室，與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授 Ion Stoica 共同工作。

他的研究興趣包括可擴(kuò)展的機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)以及計(jì)算機(jī)視覺和自然語言處理領(lǐng)域的大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用。他還協(xié)同設(shè)計(jì)了一系列模型、算法和系統(tǒng)，在更大規(guī)模數(shù)據(jù)、問題、應(yīng)用中進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)擴(kuò)展，以簡(jiǎn)化復(fù)雜機(jī)器學(xué)習(xí)模型和算法的原型開發(fā)，使機(jī)器學(xué)習(xí)程序分布自動(dòng)化。

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