笔记-分布式计算基础

Distributed Computing

划分

• 数据并行（DataParallelism）

  

  将数据分为n份，发送到n个GPU上，每个GPU上都存在一个完整的大模型

  缺点： 模型太大

• Pipeline Parallelism（串行的）

  

  将模型做split,每个GPU负责一部分，GPU1运行完后将结果发送给GPU2

  缺点：

  1. 不好分割
  2. 分割成差不多的计算量是个大的问题
  3. 速度受限于最慢的GPU模块
  4. 可能会出现许多空闲状态的GPU

• Tensor Parallelism

  

  更细化的，在tensor维度上

  

  会造成额外的通信

Data Parallelism

parameter server

• Parameter server

  

  分为两个部分

  1. Parameter Server : recieive gradients from workers and send back the aggregated results
  2. workers: compute gradients using splitted dataset and send to parameter server

  这种方式不太适合大模型

• 步骤

  1. replicate models to workers

     

  2. split data to workers

     

  3. compute gradient

     

  4. Aggregate and synchronize gradient

     

  5. Gradient update and update model parameters

     

• All in one picture

  

• Parameter server:代码

  

parameter server 通信-Communication:reduce and broadcast

• one-to-many communication: a type of operations performed across all workers

  

  1. Reduce : 类似聚合，但是在聚合过程中进行平均或求和
  2. Broadcast: 向所有的workers发送相同的复制

• Parameter server 的bottle neck(瓶颈)

  parameter server主要起的作用就是同步信息的作用，不希望有类似server的节点：All-Reduce

• Naive All reduce implementation

  

  需要循环，每次传输所有的数据

• Better All reduce implementation

  每个节点只和旁边的节点做交互，也需要循环三次，但每次只传输旁边的一部分

• 更聪明的方式： Recursive Halving reduce(递归减半规约)

  

  同上面的类似，也是临近的workers交换，对于8个worker来说，做了3次的iteration，然后交换间隔是$2^0,2^1,2^3$，这样可以将时间复杂度从$O(N)降到O(\log N)$

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Zero-1/2/3 and FADP

• 如果我们训练一个非常大的大模型，那么即使是最好的GPU也没法完全将模型权重完全加载到内存中，然而，训练需要存储梯度和优化器

  

  在fp32精度下，如果模型的weight占2bytes，那么其gradients大概也占2bytes左右，如果优化器使用Adam，其optimizer states因为要存储parameters, momentum 和variance,所以大概需要6倍（这个倍数取决于配置，再怎么配置一般也都是weight的三到四倍），即使是使用A100或者H100显卡（80G）来训练，最多也只能训练5.0B的模型

  

• 第一种方式 ZERO-1

  没个GPU存放完整的额weight和gradients,分割optimizer states 到N个不同的GPU卡上，假设N=64，则这时候用80G的显卡，大概能训练19B参数量的模型

  

• 第二种方式ZERO-2

  相比zero-1，除了optimizer states，我们还将gradients也分布在不同的GPU上，假设N=64, 则这时候用80G的显卡，大概能训36B参数量的模型

  

• 第三种方式ZERO-3

  将optimizer states,gradients and weights都分布在不同的GPU上，假设N=64, 则这时候用80G的显卡，大概能训320B参数量的模型

  

• 在pytorch中，ZERO-3等价于FSDP (FullyShardedDataParallel),即所有的参数都做parallelism

  难点在于GPU之间的通信，如何将GPU前后向传播联合起来计算

  

Pipeline Parallelism

• 与数据并行不同，Pipeline直接对模型进行分割

  

Naive Implementation

• 下图表示的是4层网络在训练的时候，使用F代表Forward,B代表Backward,下面图中的（b）Training timeline,其横轴为时间轴，假设这4层网络分别存放在4个GPU上

  

  所以计算的顺序为GPU0->GPU1->GPU2->GPU3->GPU3->GPU2->GPU1->GPU0,那么这四个GPU没个都使用了两个时间单元，占有率都是 $\frac{2}{8}=0.25$,这意味着其他75%的时间都是空闲的，而且这25%还是在假设没个pipeline的执行时间是一样的情况下，否则这个占有率还可能更低，这个是pipeline并行的一大问题，没有办法很好的利用到GPU的资源

  

  同一时间点只有一个设备在计算，其他的都在等待。

Micro-batch

• 让它多跑一跑不断地将计算给到流水线,如下图，将batch为16的分为4个batch为4的（Micro-batch技术），下图下面的部分，这时候T=14, 那么每个GPU的使用率就是$\frac{4\ast 8}{4\ast 14}=\frac{4}{7}$，这样空闲的时间实际上就下降了很多，当然如果再将任务拆解的更小，还可以提升使用

  

  注意，红色为空闲时间

  

• 如何提高Pipeline Paralisem的效率？尽量将任务拆解的更小，然后做micro-batch

Tensor Parallelism

• 在pipeline Parallelism中再做tensor Parallelism,还可以提高pipeline Parallelism的效率

• tensor并行的核心关键点：如何把运算拆解

  注意，这里后续还需要进行一个类似reduce的操作

  

MLP

• MLP和Self-Attention的tensor并行

  

• partition in First FFN Layer，注意这里用两个GPU设备来举例

  

• partition in Second FFN Layer，注意这里用两个GPU设备来举例

  

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self-attention

• 假设这里是用三个GPU来举例 ，每个GPU分别来存储QKV，先在各GPU上分别计算QKV

  

  softmax计算

  

  计算Z

  

  所以tensor parallelism核心是怎么将这些操作设计出来

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不同并行方法的总结

• 总结

  Data Oarallelism

  1. 分割数据
  2. copy数据到N的设备上
  3. 高利用率，高内存开销，设备间低通信
  4. 优化：ZeRO 1/2/3,FSDP

  Pipeline Parallelism

  1. 按层分割模型
  2. 低利用率，低内存开销，适中的通信要求

  Tensor Parallelism

  1. 按tensor维度分割模型
  2. 高利用率，低内存开销，高通信要求（有许多all-reduce操作）

3D并行

• 将上面的三种并行方法都混在一起

  下面的相同的颜色表示同一个server里面的GPU(Model Parallel是Tensor Parallelism)

  

  需要注意的是：

  为什么同一个server中用 ModelParallel(Tensor Parallelism)？

  因为tensor并行是高通信的，GPU之间需要经常交互，同一个server中交互更快

• 如何设计并行？

  

  当模型太大，无法加载到一个GPU上：使用pipeline parallelism来拆分模型

  当layer太大，无法加载到一个GOU上：使用tensor parallelism来拆分layer

带宽：bandwith

• 通信的时间可能比计算的时间更长，所以我们需要降低通信的开销

  在同一个数据中心，数据通信网络延迟可能是1毫秒到10毫秒，无线wifi连接数据通信延迟是100ms，地球间的通信网络延迟大概是500毫秒到1秒，但是在同一个机架内（同一个GPU集群上）那么延迟1纳秒，非常小

  

• 减小传输的数据大小

  在worker之间，或者在GPU之间，减小传输的数据（gradient,parameters）大小

  1. 梯度剪枝
  2. 量化（会损失精度和信息）

  

• 压缩通信：梯度剪枝

  注意梯度剪枝是一种基于梯度信息的剪枝方法。它通过分析梯度的大小来决定哪些神经元或连接是重要的，哪些可以被移除，区别于梯度裁剪

  

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KV Cache