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GPU捉襟见肘还想训练大批量模型？谁说不可以
选自Medium
机器之心编译
深度学习模型和数据集的规模增长速度已经让 GPU 算力也开始捉襟见肘，如果你的 GPU 连一个样本都容不下，你要如何训练大批量模型？通过本文介绍的方法，我们可以在训练批量甚至单个训练样本大于 GPU 内存时，在单个或多个 GPU 服务器上训练模型。
2018 年的大部分时间我都在试图训练神经网络时克服 GPU 极限。无论是在含有 1.5 亿个参数的语言模型（如 OpenAI 的 或最近类似的 模型）还是馈入 3000 万个元素输入的元学习神经网络（如我们在一篇 ICLR 论文《》中提到的模型），我都只能在 GPU 上处理很少的训练样本。
但在多数情况下，随机梯度下降算法需要很大批量才能得出不错的结果。
如果你的 GPU 只能处理很少的样本，你要如何训练大批量模型？
有几个工具、技巧可以帮助你解决上述问题。在本文中，我将自己用过、学过的东西整理出来供大家参考。
在这篇文章中，我将主要讨论 PyTorch 框架。有部分工具尚未包括在 PyTorch（1.0 版本）中，因此我也写了自定义代码。
我们将着重探讨以下问题：
在训练批量甚至单个训练样本大于 GPU 内存，要如何在单个或多个 GPU 服务器上训练模型；
如何尽可能高效地利用多 GPU 机器；
在分布式设备上使用多个机器的最简单训练方法。
在一个或多个 GPU 上训练大批量模型
你建的模型不错，在这个简洁的任务中可能成为新的 SOTA，但每次尝试在一个批量处理更多样本时，你都会得到一个 CUDA RuntimeError：内存不足。
这位网友指出了你的问题！
但你很确定将批量加倍可以优化结果。
你要怎么做呢？
这个问题有一个简单的解决方法：梯度累积。
梯度下降优化算法的五个步骤。
与之对等的 PyTorch 代码也可以写成以下五行：
predictions = model(inputs) # Forward pass
loss = loss_function(predictions, labels) # Compute loss function
loss.backward() # Backward pass
optimizer.step() # Optimizer step
predictions = model(inputs) # Forward pass with new parameters
在 loss.backward() 运算期间，为每个参数计算梯度，并将其存储在与每个参数相关联的张量——parameter.grad 中。
累积梯度意味着，在调用 optimizer.step() 实施一步梯度下降之前，我们会对 parameter.grad 张量中的几个反向运算的梯度求和。在 PyTorch 中这一点很容易实现，因为梯度张量在不调用 model.zero_grad() 或 optimizer.zero_grad() 的情况下不会重置。如果损失在训练样本上要取平均，我们还需要除以累积步骤的数量。
以下是使用梯度累积训练模型的要点。在这个例子中，我们可以用一个大于 GPU 最大容量的 accumulation_steps 批量进行训练：
model.zero_grad() # Reset gradients tensors
for i, (inputs, labels) in enumerate(training_set):
predictions = model(inputs) # Forward pass
loss = loss_function(predictions, labels) # Compute loss function
loss = loss / accumulation_steps # Normalize our loss (if averaged)
loss.backward() # Backward pass
if (i+1) % accumulation_steps == 0: # Wait for several backward steps
optimizer.step() # Now we can do an optimizer step
model.zero_grad() # Reset gradients tensors
if (i+1) % evaluation_steps == 0: # Evaluate the model when we...
evaluate_model() # ...have no gradients accumulated
扩展到极致
你可以在 GPU 上训练连一个样本都无法加载的模型吗？
如果你的架构没有太多跳过连接，这就是可能的！解决方案是使用梯度检查点（gradient-checkpointing）来节省计算资源。
基本思路是沿着模型将梯度在小组件中进行反向传播，以额外的前馈传递为代价，节约存储完整的反向传播图的内存。这个方法比较慢，因为我们需要添加额外的计算来减少内存要求，但在某些设置中挺有意思，比如在非常长的序列上训练 RNN 模型（示例参见 https://medium.com/huggingface/from-zero-to-research-an-introduction-to-meta-learning-8e16e677f78a）。
这里不再赘述，读者可以查看以下链接：
TensorFlow：https://github.com/openai/gradient-checkpointing
PyTorch 文档：https://pytorch.org/docs/stable/checkpoint.html
「节约内存」（Memory-poor）策略需要 O(1) 的内存（但是要求 O(n²) 的计算步）。
充分利用多 GPU 机器
现在我们具体来看如何在多 GPU 上训练模型。
在多 GPU 服务器上训练 PyTorch 模型的首选策略是使用 torch.nn.DataParallel。该容器可以在多个指定设备上分割输入，按照批维度（batch dimension）分割，从而实现模块应用的并行化。
DataParallel 非常容易使用，我们只需添加一行来封装模型：
parallel_model = torch.nn.DataParallel(model) # Encapsulate the model
predictions = parallel_model(inputs) # Forward pass on multi-GPUs
loss = loss_function(predictions, labels) # Compute loss function
loss.backward() # Backward pass
optimizer.step() # Optimizer step
predictions = parallel_model(inputs) # Forward pass with new parameters
但是，DataParallel 有一个问题：GPU 使用不均衡。
在一些设置下，GPU-1 会比其他 GPU 使用率高得多。
这个问题从何而来呢？下图很好地解释了 DataParallel 的行为：
使用 torch.nn.DataParallel 的前向和后向传播。
在前向传播的第四步（右上），所有并行计算的结果都聚集在 GPU-1 上。这对很多分类问题来说是件好事，但如果你在大批量上训练语言模型时，这就会成为问题。
我们可以快速计算语言模型输出的大小：
语言模型输出中的元素数量。
假设我们的数据集有 4 万词汇，每一条序列有 250 个 token、每个 batch 中有 32 条序列，那么序列中的每一个元素需要 4 个字节的内存空间，模型的输出大概为 1.2GB。要储存相关的梯度张量，我们就需要把这个内存翻倍，因此我们的模型输出需要 2.4GB 的内存。
这是典型 10GB GPU 内存的主要部分，意味着相对于其它 GPU，GPU - 1 会被过度使用，从而限制了并行化的效果。
如果不调整模型和／或优化方案，我们就无法轻易减少输出中的元素数量。但我们可以确保内存负载在 GPU 中更均匀地分布。
多 GPU 机器上的均衡负载
解决办法是把每部分输出保留在其 GPU 上，而不是将它们聚集到 GPU-1 上。我们也需要分配损失标准计算，计算损失并进行反向传播。
幸而，张航开源了一个名为 PyTorch-Encoding 的 PyTorch 包，它包含了这些定制的并行化功能。
我提取并稍稍改动了这个模块，你可以从以下地址下载 gist（parallel.py）来纳入并调用你的代码。它主要包括两个模块：DataParallelModel 和 DataParallelCriterion，它们的用途如下：
下载地址：https://gist.github.com/thomwolf/7e2407fbd5945f07821adae3d9fd1312
from parallel import DataParallelModel, DataParallelCriterion
parallel_model = DataParallelModel(model) # Encapsulate the model
parallel_loss = DataParallelCriterion(loss_function) # Encapsulate the loss function
predictions = parallel_model(inputs) # Parallel forward pass
# "predictions" is a tuple of n_gpu tensors
loss = parallel_loss(predictions, labels) # Compute loss function in parallel
loss.backward() # Backward pass
optimizer.step() # Optimizer step
predictions = parallel_model(inputs) # Parallel forward pass with new parameters
DataParallelModel 和 torch.nn.DataParallel 的区别在于，前向传播的输出（predictions）没有聚集在 GPU-1 上，而是作为 n_gpu 张量的元组，每个张量分布在相应的 GPU 上。
DataParallelCriterion 容器封装了损失函数，并把 n_gpu 张量元组和目标标签张量作为输入。它在每个 GPU 上并行计算损失函数，像 DataParallel 分割模型输入一样分割目标标签张量。
下图说明了 DataParallelModel/DataParallelCriterion 的内部情况：
使用 DataParallelModel 和 DataParallelCriterion。
以下是你可能会遇到的两个特定案例的解决办法：
你的模型输出几个张量：你可能想分解它们：output_1, output_2 = zip(*predictions)
有时候你并不想使用并行损失函数：收集 CPU 上的所有张量：gathered_predictions = parallel.gather(predictions)
分布式训练：在多台机器上训练
在更大的批量上训练时，我们要如何控制多个服务器的算力呢？
最简单的选择是使用 PyTorch 的 DistributedDataParallel，它几乎可以说是以上讨论的 DataParallel 的直接替代元件。
但要注意：尽管代码看起来很相似，但在分布式设定中训练模型要改变工作流程，因为你必须在每个节点上启动一个独立的 Python 训练脚本。正如我们将看到的，一旦启动，这些训练脚本可以通过使用 PyTorch 分布式后端一起同步化。
在实践中，这意味着每个训练脚本将拥有：
它自己的优化器，并在每次迭代中执行一个完整的优化步骤，不需要进行参数传播（DataParallel 中的步骤 2）；
一个独立的 Python 解释器：这也将避免 GIL-freeze，这是在单个 Python 解释器上驱动多个并行执行线程时会出现的问题。
当多个并行前向调用由单个解释器驱动时，在前向传播中大量使用 Python 循环/调用的模型可能会被 Python 解释器的 GIL 放慢速度。通过这种设置，DistributedDataParallel 甚至在单台机器设置中也能很方便地替代 DataParallel。
现在我们直接讨论代码和用途。
DistributedDataParallel 是建立在 torch.distributed 包之上的，这个包可以为同步分布式运算提供低级原语，并能以不同的性能使用多种后端（tcp、gloo、mpi、nccl）。在这篇文章中，我将选择一种简单的开箱即用的方式来使用它，但你应该阅读文档和 Séb Arnold 写的教程来深入理解这个模块。
文档：https://pytorch.org/docs/stable/distributed.html
教程：https://pytorch.org/tutorials/intermediate/dist_tuto.html
我们将考虑使用具有两个 4 - GPU 服务器（节点）的简单但通用的设置：
主服务器（服务器 1）拥有一个可访问的 IP 地址和一个用于通信的开放端口。
改写 Python 训练脚本以适应分布式训练
首先我们需要改写脚本，从而令其可以在每台机器（节点）上独立运行。我们将实现完全的分布式训练，并在每个节点的每块 GPU 上运行一个独立的进程，因此总共需要 8 个进程。
我们的训练脚本有点长，因为需要为同步化初始化分布式后端，封装模型并准备数据，以在数据的一个子集上来训练每个进程（每个进程都是独立的，因此我们需要自行处理）。以下是更新后的代码：
from torch.utils.data.distributed import DistributedSampler
from torch.utils.data import DataLoader
# Each process runs on 1 GPU device specified by the local_rank argument.
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument("--local_rank", type=int)
args = parser.parse_args()
# Initializes the distributed backend which will take care of sychronizing nodes/GPUs
torch.distributed.init_process_group(backend='nccl')
# Encapsulate the model on the GPU assigned to the current process
device = torch.device('cuda', arg.local_rank)
model = model.to(device)
distrib_model = torch.nn.parallel.DistributedDataParallel(model,
device_ids=[args.local_rank],
output_device=args.local_rank)
# Restricts data loading to a subset of the dataset exclusive to the current process
sampler = DistributedSampler(dataset)
dataloader = DataLoader(dataset, sampler=sampler)
for inputs, labels in dataloader:
predictions = distrib_model(inputs.to(device)) # Forward pass
loss = loss_function(predictions, labels.to(device)) # Compute loss function
loss.backward() # Backward pass
optimizer.step() # Optimizer step
启动 Python 训练脚本的多个实例
我们就快完成了，只需要在每个服务器上启动训练脚本的一个实例。
为了运行脚本，我们将使用 PyTorch 的 torch.distributed.launch 工具。它将用来设置环境变量，并用正确的 local_rank 参数调用每个脚本。
第一台机器是最主要的，它应该对于所有其它机器都是可访问的，因此拥有一个可访问的 IP 地址（我们的案例中是 192.168.1.1）以及一个开放端口（在我们的案例中是 1234）。在第一台机器上，我们使用 torch.distributed.launch 来运行训练脚本：
python -m torch.distributed.launch --nproc_per_node=4 --nnodes=2 --node_rank=0 --master_addr="192.168.1.1" --master_port=1234 OUR_TRAINING_SCRIPT.py (--arg1 --arg2 --arg3 and all other arguments of our training script) # Optimizer step
在第二台机器上，我们类似地启动脚本：
python -m torch.distributed.launch --nproc_per_node=4 --nnodes=2 --node_rank=1 --master_addr="192.168.1.1" --master_port=1234 OUR_TRAINING_SCRIPT.py (--arg1 --arg2 --arg3 and all other arguments of our training script)
这两个命令是相同的，除了—node_rank 参数，其在第一台机器上被设为 0，在第二台机器上被设为 1（如果再加一台机器，则设为 2，以此类推…）。
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