【大模型训练框架系列】:DeepSpeed深度解析与应用!

DeepSpeed1是由微软研究团队开发的一个深度学习优化库,旨在提供高效、可扩展的大规模模型训练能力。它通过采用先进的并行化策略、内存优化技术(如 ZeRO 内存优化器)和混合精度训练来显著提高训练效率和减少资源需求。

1. ZeRO

ZeRO(Zero Redundancy Optimizer)是DeepSpeed中的关键技术之一,它是为了解决大规模分布式训练中的内存瓶颈问题而设计的优化器。ZeRO通过优化模型状态的存储和通信来大幅减少所需的内存占用,使得可以在有限的资源下训练更大的模型。DeepSpeed是一个由微软开发的开源深度学习优化库,它旨在提高大规模模型训练的效率和可扩展性,而ZeRO是其核心组件之一,用于优化内存使用,允许训练更大的模型。

ZeRO分为三个优化级别:ZeRO-1、ZeRO-2和ZeRO-3,每个级别都在前一个级别的基础上进一步减少内存占用。

  1. 1. **ZeRO-1** :在这个阶段,优化器状态(例如Adam优化器的权重和梯度)被分布到多个GPU上,而不是每个GPU都存储完整的状态。这样可以节省一部分显存,但模型参数和激活仍然需要在每个GPU上完整存储。
    
  2. 2. **ZeRO-2** :在ZeRO-1的基础上,进一步对梯度进行分片处理,除了优化器状态外,梯度也被分布到多个GPU上。这进一步减少了每个GPU上的内存使用,从而提高了计算效率。
    
  3. 3. **ZeRO-3** :在这个阶段,实现了对所有模型状态的完全分片,包括模型参数。这意味着,模型的参数、优化器状态和梯度都将被分布到多个GPU上。这允许在相同的显存条件下训练更大的模型,但可能会增加通信开销。
    

此外,还有ZeRO-Infinity,它是ZeRO-3的扩展,可以利用CPU和NVMe内存来进一步扩展GPU的内存,支持训练更大型的模型。

FSDP 可以理解为是ZeRO-3的实现,它通过将模型的梯度、优化器状态和参数进行分片操作,使得每个 GPU 只存储部分参数信息,从而优化了资源的利用和提高了训练效率。

2. DeepSpeed: 并行化策略

DeepSpeed 支持多种并行化策略,包括数据并行、模型并行(包括流水线并行和张量并行),这些方法可以灵活组合,以适应不同规模和复杂度的深度学习模型。

数据并行 (Data Parallelism)是将模型的副本分布到多个GPU上,每个GPU处理不同的数据子集,然后在每个训练步骤结束时同步模型参数。这种方法适用于模型较大,无法完全放入单个GPU内存的情况。数据并行主要采用上述ZeRO策略。

流水线并行 (Pipeline Parallelism)是将模型的层划分为多个阶段,这些阶段可以在不同的处理器上并行处理。这种方法可以提高内存和计算效率,特别适合于深度学习训练。

通过将每个批次的训练数据分成更小的微批次(micro-batches),这些微批次可以并行地在流水线的各个阶段中处理。一旦一个阶段完成了一个微批次的前向传递,激活内存就会传递给流水线中的下一个阶段。类似地,当下一个阶段完成了对一个微批次的后向传递,相对于激活的梯度就会通过流水线向后传递。每个后向传递都会局部累积梯度,然后所有数据并行组并行地执行梯度的归约。最后,优化器更新模型权重。

**张量并行(Tensor Parallelism)**则是将模型的参数张量分割到多个GPU上,这样可以在保持模型整体结构的同时,通过分布式计算来加速训练过程。张量并行通常用于模型的参数量非常大,以至于单个GPU无法容纳整个模型的情况。

DeepSpeed 的流水线并行与张量并行的主要区别在于它们分割模型的方式不同。流水线并行是按层分割,而张量并行是按参数张量分割。这两种并行方式可以结合使用,形成混合并行策略,以进一步提高训练效率和可扩展性。例如,可以在流水线的每个阶段内使用张量并行来分割层内的参数,从而实现更细粒度的并行化。

3. DeepSpeed在pytroch中的实现:

在PyTorch中使用DeepSpeed进行深度学习训练,主要涉及以下几个步骤:

  1. 1. **安装DeepSpeed** :
    
  • • 通过pip安装DeepSpeed:pip install deepspeed
  1. 2. **准备配置文件** :
    
  • • 创建一个名为deepspeed_config.json的配置文件,定义训练参数和模型设置。例如:

    {     "train_batch_size": 4,     "optimizer": {       "type": "SGD",       "params": {         "lr": 0.001,         "momentum": 0.9       }     },     "fp16": {       "enabled": true     },     "zero_optimization": {       "stage": 2     }   }
    
  1. 3. **编写训练脚本** :
    
  • • 导入DeepSpeed库:import deepspeed

  • • 定义模型、数据加载器和优化器。

  • • 使用deepspeed.initialize()函数初始化DeepSpeed引擎,包装模型和优化器:

    model_engine, optimizer, _, _ = deepspeed.initialize(args=cmd_args,                                                         model=model,                                                         model_parameters=params)
    
  1. 4. **训练模型** :
    
  • • 替换原有的训练循环,通过调用model_engine.backward(loss)model_engine.step()来执行反向传播和参数更新。

  • • DeepSpeed会自动处理梯度累积、梯度压缩等技术,以提高训练效率。

  1. 5. **保存和加载检查点** :
    
  • • 使用model_engine.save_checkpoint()model_engine.load_checkpoint()进行模型检查点的保存和加载。
  1. 6. **启动训练** :
    
  • • 使用DeepSpeed提供的命令行工具启动分布式训练。例如:

    deepspeed --hostfile=myhostfile --no_ssh --node_rank=<n> \   --master_addr=<addr> --master_port=<port> \   <client_entry.py> <client args> \   --deepspeed --deepspeed_config ds_config.json
    
  • • 如果在单节点多GPU环境中,可以使用--include--exclude参数来选择使用的GPU。

  1. 7. **监控和调优** :
    
  • • 在训练过程中,使用DeepSpeed提供的工具进行性能监控和调优。
  1. 8. **混合精度训练** :
    
  • • 在配置文件中启用混合精度训练,例如设置"fp16": {"enabled": true}
  1. 9. **ZeRO优化技术** :
    
  • • 在配置文件中设置ZeRO优化策略,例如"zero_optimization": {"stage": 2}
  1. 10. **卸载优化** :
    
  • • 如果需要,可以在配置文件中启用ZeRO-Offload,将部分计算和内存卸载到CPU,例如"zero_optimization": {"offload_optimizer": {"device": "cpu", "pin_memory": true}}

截至本文完稿时(2024/10/14),Pytorch对deepspeed的支持主要在ZeRO上,在PP和TP上有限。

4. DeepSpeed在Accelerate中的实现:

Accelerate库提供了一个简单的接口来集成DeepSpeed,使得在PyTorch中进行分布式训练变得更加容易。以下是使用DeepSpeed和Accelerate进行分布式训练的基本步骤:

  1. 1. **安装DeepSpeed和Accelerate** :
    

    pip install deepspeed accelerate

  2. 2. **创建DeepSpeed配置文件** : 创建一个名为`deepspeed_config.json`的配置文件,定义训练参数和模型设置。例如:
    

    { “train_batch_size”: 4, “optimizer”: { “type”: “SGD”, “params”: { “lr”: 0.001, “momentum”: 0.9 } }, “fp16”: { “enabled”: true }, “zero_optimization”: { “stage”: 2 } }

  3. 3. **编写训练脚本** : 导入必要的库,并定义模型、数据加载器和优化器。使用Accelerate的`Accelerator`和`DeepSpeedPlugin`来准备模型、优化器和数据加载器。例如:
    

    import torch import torch.nn as nn from torch.utils.data import TensorDataset, DataLoader from accelerate import Accelerator, DeepSpeedPlugin class TestNet(nn.Module): def init(self, input_dim: int, output_dim: int): super(TestNet, self).init() self.fc1 = nn.Linear(in_features=input_dim, out_features=output_dim) self.fc2 = nn.Linear(in_features=output_dim, out_features=output_dim) def forward(self, x: torch.Tensor): x = torch.relu(self.fc1(x)) x = self.fc2(x) return x if name == “main”: input_dim = 8 output_dim = 64 batch_size = 8 dataset_size = 1000 input_data = torch.randn(dataset_size, input_dim) labels = torch.randn(dataset_size, output_dim) dataset = TensorDataset(input_data, labels) dataloader = DataLoader(dataset=dataset, batch_size=batch_size) model = TestNet(input_dim=input_dim, output_dim=output_dim) accelerator = Accelerator() optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001) loss_func = nn.MSELoss() model, optimizer, dataloader = accelerator.prepare(model, optimizer, dataloader) for epoch in range(10): model.train() for batch in dataloader: inputs, labels = batch optimizer.zero_grad() outputs = model(inputs) loss = loss_func(outputs, labels) accelerator.backward(loss) optimizer.step() print(f"Epoch {epoch}, Loss: {loss.item()}")

  4. 4. **启动训练** : 使用Accelerate的`launch`命令来启动分布式训练。例如:
    

    accelerate launch --config_file default_config.yaml my_training_script.py

其中default_config.yaml是Accelerate的配置文件,可以通过accelerate config命令生成。

  1. 5. **监控和调优** : 在训练过程中,使用DeepSpeed提供的工具进行性能监控和调优。
    
  2. 6. **保存和加载检查点** : 使用Accelerate的`save`和`load`方法来保存和加载模型检查点。
    

截至本文完稿时(2024/10/14),Accelerate对deepspeed的支持主要在ZeRO上,Accelerate暂时没有 PP 和 TP。

以下是各种框架对并行策略(截至2024/10/14)的支持情况:

框架DPPPTP3D并行
Pytorch(FSDP)
DeepSpeed
Megatron-LM
Accelerate

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