算子级并行

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概述

随着深度学习的发展,网络模型正变得越来越大,如NLP领域已出现万亿级参数量的模型,模型容量远超单个设备的内存容量,导致单卡或数据并行均无法进行训练。算子级并行是通过将网络模型中每个算子涉及到的张量进行切分,降低单个设备的内存消耗,从而使大模型的训练成为可能。

基本原理

MindSpore对每个算子独立建模,用户可以设置正向网络中每个算子的切分策略(对于未设置的算子,默认按数据并行进行切分)。

在构图阶段,框架将遍历正向图,根据算子的切分策略对每个算子及其输入张量进行切分建模,使得该算子的计算逻辑在切分前后保持数学等价。框架内部使用Tensor Layout来表达输入输出张量在集群中的分布状态,Tensor Layout中包含了张量和设备间的映射关系,用户无需感知模型各切片在集群中如何分布,框架将自动调度分配。框架还将遍历相邻算子间张量的Tensor Layout,如果前一个算子输出张量作为下一个算子的输入张量,且前一个算子输出张量的Tensor Layout与下一个算子输入张量的Tensor Layout不同,则需要在两个算子之间进行张量重排布(Tensor Redistribution)。对于训练网络来说,框架处理完正向算子的分布式切分之后,依靠框架的自动微分能力,即能自动完成反向算子的分布式切分。

Tensor Layout用于描述Tensor在集群中的分布信息,Tensor可以按某些维度切分到集群,也可以在集群上复制。下面这个例子中,将一个二维矩阵切分到两个节点,有三种切分方式:行切分、列切分及复制(每种切分方式即对应于一种Tensor Layout),如下图所示:

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如果将二维矩阵切分到4个节点,则有四种切分方式,行列同时切分、复制、行切分+复制、列切分+复制,如下图所示:

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Tensor Redistribution用于处理不同Tensor Layout之间的转换,它能在集群中将Tensor从一种排布转换成另外一种排布。所有重排布操作,都会被分解成“集合通信+split+concat”等算子组合。下面两张图说明了几种Tensor Redistribution的操作。

image

图:Tensor切分到两个节点的重排

image 图:Tensor切分到四个节点的重排

用户可以使用shard()接口来设置算子的切分策略,该接口可以描述算子的每个输入张量的每个维度如何切分。比如MatMul.shard(((a, b), (b, c)))表示MatMul有两个输入张量,对第一个输入张量的行均匀切分a份,列均匀切分b份;对第二个输入张量的行均匀切分b份,列均匀切分a份。

import mindspore.nn as nn
from mindspore.ops import operations as ops
from mindspore import context

context.set_auto_parallel_context(parallel_mode="semi_auto_parallel", device_num=4)

class DenseMatMulNet(nn.Cell):
    def __init__(self):
        super(DenseMutMulNet, self).__init__()
        self.matmul1 = ops.MatMul.shard(((4, 1), (1, 1)))
        self.matmul2 = ops.MatMul.shard(((1, 1), (1, 4)))
    def construct(self, x, w, v):
        y = self.matmul1(x, w)
        z = self.matmul2(y, v)
        return z

在以上例子中,用户在4个卡上计算两个连续的二维矩阵乘:Z = (X * W) * V 。第一个矩阵乘Y = X * W,用户想把X按行切4份(即数据并行);而第二个矩阵乘Z = Y * V,用户想把V按列切4份(即模型并行):

由于第一个算子输出的Tensor Layout是第0维切分到集群,而第二个算子要求第一个输入Tensor在集群上复制。所以在图编译阶段,会自动识别两个算子输出/输入之间Tensor Layout的不同,从而自动推导出Tensor重排布的算法。而这个例子所需要的Tensor重排布是一个AllGather算子(注:MindSpore的AllGather算子会自动把多个输入Tensor在第0维进行合并)

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特殊说明

在算子级并行中,为满足不同场景诉求,部分算子能通过add_prim_attr()接口对其分布式实现进行配置,这些配置仅对SEMI_AUTO_PARALLELAUTO_PARALLEL模式适用:

  • Gather算子:add_prim_attr(“manual_split”, split_tuple)。该接口配置Gather算子的第一个输入非均匀切分,它仅对axis=0时有效。其中split_tuple是一个元素为int类型的元组,元素之和须等于Gather算子第一个输入的第0维的长度,元组个数须等于Gather算子第一个输入的第0维切分份数。

  • Gather算子:add_prim_attr(“primitive_target”, “CPU”)。该接口配置Gather算子在CPU上执行,用于异构场景。

操作实践

下面以Ascend单机8卡为例,进行算子级并行操作说明:

样例代码说明

你可以在这里下载完整的样例代码:

https://gitee.com/mindspore/docs/tree/r1.7/docs/sample_code/operator_parallel

目录结构如下:

└─sample_code
    ├─operator_parallel
    │      rank_table_8pcs.json
    │      train.py
    │      run.sh
    ...

其中rank_table_8pcs.json是配置Ascend 8卡环境的组网信息文件,train.py文件是定义网络结构的脚本,run.sh是执行脚本。

配置分布式环境

分布式环境的配置可参考:https://www.mindspore.cn/tutorials/experts/zh-CN/r1.7/parallel/train_ascend.html#配置分布式环境变量

定义网络

from mindspore.nn import Cell
from mindspore.ops import operations as ops
from mindspore import Parameter
from mindspore.common.initializer import initializer


class Net(Cell):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.matmul = ops.MatMul().shard(((2, 4), (4, 1)))
        self.weight = Parameter(initializer("normal", [32, 16]), "w1")

        self.relu = ops.ReLU().shard(((8, 1),))

    def construct(self, x):
        out = self.matmul(x, self.weight)
        out = self.relu(out)
        return out

以上网络有两个算子,MatMul和ReLU。

其中对MatMul的切分策略为:第一个输入的行切分2份,列切分4份;第二个输入的行切分4份,列不切分。对ReLU的切分策略为:第一个输入的行切分8份,列不切分。

运行脚本

利用样例代码,可以用以下命令运行8卡的算子级并行训练脚本:

sh run.sh 8

执行后,可以从device0对应的日志文件中,看到以下结果:

epoch: 1 step:1, loss is 23.02248764038086
epoch: 1 step:2, loss is 23.00420570373535
epoch: 1 step:3, loss is 22.97960090637207
epoch: 1 step:4, loss is 22.96306419372558