梯度累加

概述

梯度累加是一种能够在内存受限的情况下，采用更大Batch Size来训练网络的优化技术。通常情况下，训练大型神经网络需要大量的内存，因为在每个Batch上计算梯度并更新模型参数需要保存梯度值。Batch Size越大需要的内存越大，可能会导致内存不足的问题。梯度累加通过将多个MicroBatch的梯度值相加，从而允许在不增加内存需求的情况下以更大的Batch Size训练模型。本文主要介绍分布式场景下的梯度累加。

基本原理

梯度累加的核心思想是将多个MicroBatch的梯度相加，然后使用累加的梯度来更新模型参数。下面是梯度累加的步骤

选择MicroBatch大小：MicroBatch大小的数据是每一次正反向传播的基本批次，同时根据Batch Size除以Micro Batch Size得到累加步数，可以确定在多少个MicroBatch之后进行一次参数更新。
前向传播和反向传播：对于每个MicroBatch，执行标准的前向传播和反向传播操作。计算小批次的梯度。
梯度累加：将每个MicroBatch的梯度值相加，直到达到累加步数。
梯度更新：在达到累加步数后，使用累加的梯度来通过优化器更新模型参数。
梯度清零：在梯度更新后，将梯度值清零，以便下一个累加周期的计算。

操作实践

下面以Ascend或者GPU单机8卡为例，进行梯度累加操作说明：

样例代码说明

下载完整的样例代码：distributed_gradient_accumulation。

目录结构如下：

└─ sample_code
    ├─ distributed_gradient_accumulation
       ├── train.py
       └── run.sh
    ...

其中，train.py是定义网络结构和训练过程的脚本。run.sh是执行脚本。

配置分布式环境

首先通过context接口指定运行模式、运行设备、运行卡号等，并行模式为半自动并行模式，本例采用优化器并行，并通过init初始化HCCL或NCCL通信。

import mindspore as ms
from mindspore.communication import init

ms.set_context(mode=ms.GRAPH_MODE)
ms.set_auto_parallel_context(parallel_mode=ms.ParallelMode.SEMI_AUTO_PARALLEL)
ms.set_auto_parallel_context(enable_parallel_optimizer=True)
init()

数据集加载与网络定义

此处数据集加载和网络定义与单卡模型一致，代码如下：

import os
import mindspore.dataset as ds
from mindspore import nn

def create_dataset(batch_size):
    dataset_path = os.getenv("DATA_PATH")
    dataset = ds.MnistDataset(dataset_path)
    image_transforms = [
        ds.vision.Rescale(1.0 / 255.0, 0),
        ds.vision.Normalize(mean=(0.1307,), std=(0.3081,)),
        ds.vision.HWC2CHW()
    ]
    label_transform = ds.transforms.TypeCast(ms.int32)
    dataset = dataset.map(image_transforms, 'image')
    dataset = dataset.map(label_transform, 'label')
    dataset = dataset.batch(batch_size)
    return dataset

data_set = create_dataset(32)

class Network(nn.Cell):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.flatten = nn.Flatten()
        self.dense_relu_sequential = nn.SequentialCell(
            nn.Dense(28*28, 512, weight_init="normal", bias_init="zeros"),
            nn.ReLU(),
            nn.Dense(512, 512, weight_init="normal", bias_init="zeros"),
            nn.ReLU(),
            nn.Dense(512, 10, weight_init="normal", bias_init="zeros")
        )

    def construct(self, x):
        x = self.flatten(x)
        logits = self.dense_relu_sequential(x)
        return logits

net = Network()

训练网络

在这一步，我们需要定义损失函数、优化器以及训练过程，在这部分需要调用两个接口来配置梯度累加：

首先需要定义LossCell，本例中调用了nn.WithLossCell接口封装网络和损失函数。
然后需要在LossCell外包一层GradAccumulationCell，并指定MicroBatch的size为4。详细请参考本章概述中的相关接口。

import mindspore as ms
from mindspore import nn, train
from mindspore.nn.wrap.cell_wrapper import GradAccumulationCell

optimizer = nn.SGD(net.trainable_params(), 1e-2)
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
loss_cb = train.LossMonitor(100)
net = GradAccumulationCell(nn.WithLossCell(net, loss_fn), 4)
model = ms.Model(net, optimizer=optimizer)
model.train(10, data_set, callbacks=[loss_cb])

梯度累加训练更适合用model.train的方式，这是因为梯度累加下的TrainOneStep逻辑复杂，而model.train内部封装了针对梯度累加的TrainOneStepCell，易用性更好。

运行单机八卡脚本

接下来通过命令调用对应的脚本，以mpirun启动方式，8卡的分布式训练脚本为例，进行分布式训练：

bash run.sh

训练完后，关于Loss部分结果保存在log_output/1/rank.*/stdout中，示例如下：

epoch: 1 step: 100, loss is 7.89255428314209
epoch: 1 step: 200, loss is 2.3744874000549316
epoch: 1 step: 300, loss is 1.5951943397521973
epoch: 1 step: 400, loss is 1.784447431564331
epoch: 1 step: 500, loss is 1.1426030397415161
epoch: 1 step: 600, loss is 1.2399932146072388
epoch: 1 step: 700, loss is 1.2288587093353271
epoch: 1 step: 800, loss is 1.1972967386245728
...