数据并行 - DP/DDP/ZeRO

本文介绍大模型训练的多种并行策略。数据并行有DP和DDP,DP存在存储和通讯开销大问题,DDP解决了通讯负载不均;ZeRO用于解决显存开销,有状态分割等优化;还介绍了模型并行、流水线并行和张量并行等策略,以及混合精度训练等优化方法。

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数据并行DP

DP - 梯度同步更新

数据并行的核心思想是:在各个GPU上都拷贝一份完整模型,各自吃一份数据,算一份梯度,最后对梯度进行累加来更新整体模型。理念不复杂,但到了大模型场景,巨大的存储和GPU间的通讯量,就是系统设计要考虑的重点了。在本文中,我们将递进介绍三种主流数据并行的实现方式:

  1. DP(Data Parallelism):最早的数据并行模式,一般采用参数服务器(Parameters Server)这一编程框架。实际中多用于单机多卡
  2. DDP(Distributed Data Parallelism):分布式数据并行,采用Ring AllReduce的通讯方式,实际中多用于多机场景
  3. ZeRO:零冗余优化器。由微软推出并应用于其DeepSpeed框架中。严格来讲ZeRO采用数据并行+张量并行的方式,旨在降低存储。

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1)若干块计算GPU,如图中GPU0~GPU2;1块梯度收集GPU,如图中AllReduce操作所在GPU。
2)在每块计算GPU上都拷贝一份完整的模型参数。
3)把一份数据X(例如一个batch)均匀分给不同的计算GPU。
4)每块计算GPU做一轮FWD和BWD后,算得一份梯度G。
5)每块计算GPU将自己的梯度push给梯度收集GPU,做聚合操作。这里的聚合操作一般指梯度累加。当然也支持用户自定义。
6)梯度收集GPU聚合完毕后,计算GPU从它那pull下完整的梯度结果,用于更新模型参数W。更新完毕后,计算GPU上的模型参数依然保持一致。
7)聚合再下发梯度的操作,称为AllReduce。

  • 总结一下:打散 – 收集 – 反向分发(更新)

实现DP的一种经典编程框架叫“参数服务器”,在这个框架里,计算GPU称为Worker,梯度聚合GPU称为Server。在实际应用中,为了尽量减少通讯量,一般可选择一个Worker同时作为Server。比如可把梯度全发到GPU0上做聚合。需要再额外说明几点:

  • 1个Worker或者Server下可以不止1块GPU。
  • Server可以只做梯度聚合,也可以梯度聚合+全量参数更新一起做
  • 在参数服务器的语言体系下,DP的过程又可以被描述下图

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那么问题所在:

  • 存储开销大。每块GPU上都存了一份完整的模型,造成冗余。
  • 通讯开销大。Server需要和每一个Worker进行梯度传输。当Server和Worker不在一台机器上时,Server的带宽将会成为整个系统的计算效率瓶颈。

概括一下:每一个节点干完自己的活儿提交上去,等sever的反馈更新,这个等待的过程就是浪费时间,且sever的压力非常大。


DP - 梯度异步更新

所以,梯度异步更新的idea就出来了

在梯度异步更新的场景下,某个Worker的计算顺序为:

  • 在第10轮计算中,该Worker正常计算梯度,并向Server发送push&pull梯度请求。
  • 但是,该Worker并不会实际等到把聚合梯度拿回来,更新完参数W后再做计算。而是直接拿旧的W,吃新的数据,继续第11轮的计算。这样就保证在通讯的时间里,Worker也在马不停蹄做计算,提升计算通讯比。
  • 当然,异步也不能太过份。只计算梯度,不更新权重,那模型就无法收敛。图中刻画的是延迟为1的异步更新,也就是在开始第12轮对的计算时,必须保证W已经用第10、11轮的梯度做完2次更新了。

意思就是,work的参数阶段性更新,隔多久更新一次由延迟时间步决定
三种更新方式:
(a) 无延迟
(b) 延迟但不指定延迟步数。也即在迭代2时,用的可能是老权重,也可能是新权重,听天由命。
(c ) 延迟且指定延迟步数为1。例如做迭代3时,可以不拿回迭代2的梯度,但必须保证迭代0、1的梯度都已拿回且用于参数更新。

总结一下,异步很香,但对一个Worker来说,只是等于W不变,batch的数量增加了而已,在SGD下,会减慢模型的整体收敛速度。异步的整体思想是,比起让Worker闲着,倒不如让它多吃点数据,虽然反馈延迟了,但只要它在干活在学习就行。


分布式数据并行(DDP)

受通讯负载不均的影响,DP一般用于单机多卡场景。
因此,DDP作为一种更通用的解决方案出现了,既能多机,也能单机。

  • DDP首先要解决的就是通讯问题:将Server上的通讯压力均衡转到各个Worker上。实现这一点后,可以进一步去Server,留Worker。

聚合梯度 + 下发梯度这一轮操作,称为AllReduce。

接下来我们介绍目前最通用的AllReduce方法:Ring-AllReduce。它由百度最先提出,非常有效地解决了数据并行中通讯负载不均的问题,使得DDP得以实现。

  • 太妙了,直接看图吧

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  • 通过分组累加到此,每一块GPU上都有了一个分块完整的梯度,即1/4的完整梯度。谓之,Reduce-Scatter

  • 下面就是将每个分开的1/4完整的梯度同步到其他的GPU,也就是替换操作。谓之,ALLTOGETHER

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  • 再迭代两轮,就OK了

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小结一下:

朴素数据并行(DP)与分布式数据并行(DDP)。两者的总通讯量虽然相同,但DP存在负载不均的情况,大部分的通讯压力集中在Server上,而Server的通讯量与GPU数量呈线性关系,导致DP一般适用于单机多卡场景。而DDP通过采用Ring-AllReduce这一NCCL操作,使得通讯量均衡分布到每块GPU上,且该通讯量为一固定常量,不受GPU个数影响,因此可实现跨机器的训练。

  • DDP做了通讯负载不均的优化,但还遗留了一个显存开销问题:数据并行中,每个GPU上都复制了一份完整模型,当模型变大时,很容易打爆GPU的显存

ZeRO

由微软开发的ZeRO(零冗余优化),它是DeepSpeed这一分布式训练框架的核心,被用来解决大模型训练中的显存开销问题。

  • ZeRO的思想就是用通讯换显存

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存储主要分为两大块:Model States和Residual States
Model States指和模型本身息息相关的,必须存储的内容,具体包括:

optimizer states:Adam优化算法中的momentum和variance
gradients:模型梯度
parameters:模型参数W

Residual States指并非模型必须的,但在训练过程中会额外产生的内容,具体包括:

activation:激活值。在流水线并行中我们曾详细介绍过。在backward过程中使用链式法则计算梯度时会用到。有了它算梯度会更快,但它不是必须存储的,因为可以通过重新做Forward来算它。
temporary buffers: 临时存储。例如把梯度发送到某块GPU上做加总聚合时产生的存储。
unusable fragment memory:碎片化的存储空间。虽然总存储空间是够的,但是如果取不到连续的存储空间,相关的请求也会被fail掉。对这类空间浪费可以通过内存整理来解决。


混合精度运算
精度混合训练,对于模型,我们肯定希望其参数越精准越好,也即我们用fp32(单精度浮点数,存储占4byte)来表示参数W。但是在forward和backward的过程中,fp32的计算开销也是庞大的。那么能否在计算的过程中,引入fp16或bf16(半精度浮点数,存储占2byte),来减轻计算压力呢?

FP16是指使用16位浮点数表示的半精度浮点数,而BF16是指使用16位浮点数表示的bfloat16格式。它们之间的主要区别在于它们的存储格式和精度范围。

  • FP16使用1位符号位,5位指数位和10位尾数位,可以表示范围较广的数字,但精度较低。
  • BF16使用1位符号位,8位指数位和7位尾数位,可以提供更好的精度,并且能够保留更多有效数字,但范围较窄。
    因此,FP16和BF16的主要差别在于它们的精度范围和存储格式,用户在使用时需要根据需求选择合适的格式。

于是,混合精度训练就产生了

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  • 存储一份fp32的parameter,momentum和variance(统称model states)
  • 在forward开始之前,额外开辟一块存储空间,将fp32 parameter减半到fp16 parameter。
  • 正常做forward和backward,在此之间产生的activation和gradients,都用fp16进行存储。
  • 用fp16 gradients去更新fp32下的model states。
  • 当模型收敛后,fp32的parameter就是最终的参数输出。

也就是,模型参数存储时使用fp32,模型fw,bw计算时使用fp16

即设模型参数w为 ϕ \phi ϕ
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  • 因为采用了Adam优化,所以才会出现momentum和variance,adam好像很费内存

这里暂不将activation纳入统计范围,原因是:

  1. activation不仅与模型参数相关,还与batch size相关
  2. activation的存储不是必须的。存储activation只是为了在用链式法则做backward的过程中,计算梯度更快一些。但你永远可以通过只保留最初的输入X,重新做forward来得到每一层的activation(虽然实际中并不会这么极端)。

因为activation的这种灵活性,纳入它后不方便衡量系统性能随模型增大的真实变动情况。因此在这里不考虑它,在后面会单开一块说明对activation的优化。


知道了什么东西会占存储,以及它们占了多大的存储之后,我们就可以来谈如何优化存储了。
注意到,在整个训练中,有很多states并不会每时每刻都用到,举例来说;

  1. Adam优化下的optimizer states只在最终做update时才用到
  2. 数据并行中,gradients只在最后做AllReduce和updates时才用到
  3. 参数W只在做forward和backward的那一刻才用到

所以,ZeRO想了一个简单粗暴的办法:如果数据算完即废,等需要的时候,我再想办法从个什么地方拿回来,那不就省了一笔存储空间吗?


Zero1 - 优化状态分割

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  • 优化参数在模型的W中,优化状态分割的意思是把W切开,每一个GPU单独自己更新属于自己的,然后在同步一下

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  • 显存下降的非常明显, 在增加1.5倍单卡通讯开销的基础上,将单卡存储降低了4倍。看起来是个还不错的trade-off

Zero2 - 优化梯度分割

接着切,同理可得,切梯度G
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每块GPU用自己对应的O和G去更新相应的W。更新完毕后,每块GPU维持了一块更新完毕的W。同理,对W做一次All-Gather,将别的GPU算好的W同步到自己这来
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Zero3 - 优化模型参数分割

全部都切开!!!

每块GPU置维持对应的optimizer states,gradients和parameters
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最后数据并行的流程如下
(1)每块GPU上只保存部分参数W。将一个batch的数据分成3份,每块GPU各吃一份。
(2)做forward时,对W做一次All-Gather,取回分布在别的GPU上的W,得到一份完整的W,单卡通讯量 。forward做完,立刻把不是自己维护的W抛弃。
(3)做backward时,对W做一次All-Gather,取回完整的W,单卡通讯量 。backward做完,立刻把不是自己维护的W抛弃。
(4)做完backward,算得一份完整的梯度G,对G做一次Reduce-Scatter,从别的GPU上聚合自己维护的那部分梯度,单卡通讯量 。聚合操作结束后,立刻把不是自己维护的G抛弃。
(5)用自己维护的O和G,更新W。由于只维护部分W,因此无需再对W做任何AllReduce操作。

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ZeRO - Residual states

现在来看对residual states的优化

固定大小的内存buffer:

  • 提升带宽利用率。当GPU数量上升,GPU间的通讯次数也上升,每次的通讯量可能下降(但总通讯量不会变)。数据切片小了,就不能很好利用带宽了。所以这个buffer起到了积攒数据的作用:等数据积攒到一定大小,再进行通讯。
  • 使得存储大小可控。在每次通讯前,积攒的存储大小是常量,是已知可控的。更方便使用者对训练中的存储消耗和通讯时间进行预估。

设置机制,对碎片化的存储空间进行重新整合,整出连续的存储空间

防止出现总存储足够,但连续存储不够而引起的存储请求fail

ZeRO - Offload

最后,简单介绍一下ZeRO-Offload。它的核心思想是:显存不够,内存来凑。如果我把要存储的大头卸载(offload)到CPU上,而把计算部分放到GPU上,这样比起跨机,是不是能既降显存,也能减少一些通讯压力呢?

  • forward和backward计算量高,因此和它们相关的部分,例如参数W(fp16),activation,就全放入GPU。
  • update的部分计算量低,因此和它相关的部分,全部放入CPU中。例如W(fp32),optimizer states(fp32)和gradients(fp16)等

核心思想是:显存不够,内存来凑。

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模型并行

当你有一个单卡装不下的大模型时,一个直接的解决办法是,把模型隔成不同的层,每一层都放到一块GPU上(简而言之,切模型)

如下图:
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  • F表示Forward, B表示Backward,4块GPU
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    这张图的含义是:我在GPU0上做完一次forward,然后将GPU0上最后一层的输入传给GPU1,继续做forward,直到四块GPU都做完forward后,我再依次做backward。等把四块GPU上的backward全部做完后,最后一个时刻我统一更新每一层的梯度。(是一个串行的过程

两个问题:
(1)GPU利用度不够。
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(2)中间结果占据大量内存
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流水线并行

切分micro batch

流水线并行的核心思想是:
在模型并行的基础上,进一步引入数据并行的办法,即把原先的数据再划分成若干个batch,送入GPU进行训练。未划分前的数据,叫mini-batch。在mini-batch上再划分的数据,叫micro-batch。
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  • 切分完的数据,不用串行等待了,可以并行计算。

re-materialization(active checkpoint)

每块GPU上,我们只保存来自上一块的最后一层输入z,其余的中间结果我们算完就废。
等到backward的时候再由保存下来的z重新进行forward来算出(显存计算峰值)。

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张量并行TP

详解笔记

目前基于Transformer做大模型预训练最基本的并行范式:来自NVIDIA的张量模型并行(TP)
实现的框架:MegatronLM

  • 它的基本思想就是把模型的参数纵向切开,放到不同的GPU上进行独立计算,然后再做聚合。

  • 关键问题:如何切分?

按行切

我们用N来表示GPU的数量。有几块GPU,就把W按行维度切成几份。下图展示了N=2时的切割方式:
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  • X和W都要切开,前向传播过去相加,反向传播回来是concat

按列切分

  • X不用动,切W就行,前向传播的Y是concat,反向传播回来的梯度是相加
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Traceback (most recent call last): File "/home/adv/anaconda3/envs/llamaFactory/bin/llamafactory-cli", line 8, in <module> sys.exit(main()) File "/home/adv/LLaMA-Factory/src/llamafactory/cli.py", line 112, in main run_exp() File "/home/adv/LLaMA-Factory/src/llamafactory/train/tuner.py", line 93, in run_exp _training_function(config={"args": args, "callbacks": callbacks}) File "/home/adv/LLaMA-Factory/src/llamafactory/train/tuner.py", line 67, in _training_function run_sft(model_args, data_args, training_args, finetuning_args, generating_args, callbacks) File "/home/adv/LLaMA-Factory/src/llamafactory/train/sft/workflow.py", line 52, in run_sft model = load_model(tokenizer, model_args, finetuning_args, training_args.do_train) File "/home/adv/LLaMA-Factory/src/llamafactory/model/loader.py", line 160, in load_model model = load_class.from_pretrained(**init_kwargs) File "/home/adv/anaconda3/envs/llamaFactory/lib/python3.10/site-packages/transformers/models/auto/auto_factory.py", line 558, in from_pretrained return model_class.from_pretrained( File "/home/adv/anaconda3/envs/llamaFactory/lib/python3.10/site-packages/transformers/modeling_utils.py", line 3820, in from_pretrained dispatch_model(model, **device_map_kwargs) File "/home/adv/anaconda3/envs/llamaFactory/lib/python3.10/site-packages/accelerate/big_modeling.py", line 498, in dispatch_model model.to(device) File "/home/adv/anaconda3/envs/llamaFactory/lib/python3.10/site-packages/transformers/modeling_utils.py", line 2702, in to raise ValueError( ValueError: `.to` is not supported for `4-bit` or `8-bit` bitsandbytes models. Please use the model as it is, since the model has already been set to the correct devices and casted to the correct `dtype`.
03-30
### 关于ValueError问题的原因分析 当尝试加载4-bit或8-bit的`bitsandbytes`模型并使用`.to()`方法时,可能会遇到`ValueError`错误。这种错误通常发生在模型参数被量化后未能正确分配到目标设备的情况下。 #### 错误原因解析 1. **量化的模型与设备迁移冲突** `bitsandbytes`库中的4-bit或8-bit量化会修改模型权重的数据类型和存储方式。如果直接调用`.to(device)`方法而未适配这些变化,则可能导致无法识别的张量操作,从而引发`ValueError`[^1]。 2. **FSDP/DS-Zero3的影响** 当启用`QLoRA + FSDP / DS-Zero3`时,模型会被分解成多个子模块分别托管在不同GPU上。此时,`prepare_model_for_kbit_training`函数的作用是对模型进行冻结处理以及设置梯度检查点,以便支持低精度训练。然而,在某些情况下(例如开启了offload),部分模型组件可能仍驻留在CPU上以节省显存资源。 3. **`peft_module_casting_to_bf16`的功能缺失** 如果未应用`peft_module_casting_to_bf16`转换,那么即使模型已经通过`bitsandbytes`进行了量化,其计算图仍然可能存在FP32或FP16类型的残留节点。这会导致混合精度环境下的不兼容性,进而抛出异常。 --- ### 解决方案建议 以下是几种常见的解决方案: #### 方法一:调整模型准备流程 确保在初始化PEFT模型之前完成必要的预处理工作: - 使用`prepare_model_for_kbit_training(model)`来配置适合k-bit训练的架构; - 调用`peft_module_casting_to_bf16(module)`将涉及的关键层转化为BF16格式,减少内存占用的同时提高数值稳定性。 ```python from peft import prepare_model_for_kbit_training, get_peft_config def setup_model_for_training(model): model = prepare_model_for_kbit_training(model) # 配置适用于k-bit训练的模型结构 for module in model.modules(): if isinstance(module, torch.nn.Linear): # 或其他特定层类型 peft_module_casting_to_bf16(module) # 将线性变换转为bf16模式 return model ``` #### 方法二:修正设备放置逻辑 对于已量化的模型,推荐采用更灵活的方式指定运行位置,而不是简单依赖`.to()`命令。可以考虑如下替代策略之一: - 利用`accelerate`工具箱提供的`dispatch_model()`功能自动安排各分片至适当硬件单元; - 显式定义分布式数据平行(DDP)或者零冗余优化器(ZeRO Stage 3)策略,并让框架自行管理跨节点通信与同步过程。 ```python from accelerate import dispatch_model device_map = {"": rank} # 根据当前进程编号决定具体映射关系 model = dispatch_model(model, device_map=device_map) ``` #### 方法三:排查潜在冲突源 确认是否存在第三方插件干扰正常执行路径;另外也要留意版本匹配状况——比如所使用的Transformers、BitsAndBytes及Accelerate库之间是否保持一致更新状态。 --- ### 总结说明 综上所述,针对`ValueError when loading 4-bit or 8-bit bitsandbytes model with .to() method`这一现象的根本原因是由于模型经过特殊量化之后原有的标准迁移机制不再适用所致。因此需重新审视整个建模环节的设计思路,合理运用辅助函数完善前期准备工作,并妥善规划后期部署细节才能有效规避此类风险。
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