调参侠看过来！两个提高深度学习训练效率的绝

1. 训练的瓶颈在哪里

 GPU利用率低模型训练时GPU显存沾满了，GPU的利用率比较不稳定，有时候0%，有时候90%，忽高忽低。   

 训练的数据量大训练数据大，在百万/千万的量级，训练一个Epoch需要很长时间，模型迭代周期过长。

2. 提高GPU利用率CPU vs GPU

GPU利用率低, 主要原因是CPU处理的效率跟不上GPU

2.1 CPU vs GPU的通信

 CPU负责加载数据+数据预处理，并不断的在内存和显存之间交互数据  GPU负责模型训练（图片来自网络）

2.2 解决方案

采用多进程并行处理，加快CPU加载数据的性能

 keras keras 中提供了orkers use_multiprocessing来采用多进程方式，并行处理数据，并push到队列中，共GPU模型训练。因为进程之间可能相互影响资源，并不是越大越好，orkers可以设置2，4，8。  run_model.fit_generator(                generator=training_generator,                class_eight={0: config.eights, 1: 1},                epochsepochs=epochs,                verbose=1,                steps_per_epochsteps_per_epoch=steps_per_epoch,                callbacks=callbacks_list,                validation_data=valid_generator,               validation_stepsvalidation_steps=validation_steps,                shuffle=True,                orkers=8,                use_multiprocessing=True,                max_queue_size=20   pytorch torch在加载数据中提供类似参数num_orkers。pin_memory=True可以直接加载到显存中，而不需要内存  torch.utils.data.DataLoader(image_datasets[x],                               batch_sizebatch_size=batch_size,                                shuffle=True,                               num_orkers=8,                               pin_memory=True) 

3. 分布式并行训练

3.1 并行模式

当训练的数据量很大时，可以通过多个机器多个GPU来提高训练的效率。不同于hadoop和spark等分布式数据处理框架，深度学习训练因为要涉及参数的前项传播和反向传播，有两种并行方式

 模型并行（ model parallelism ）:分布式系统中的不同机器（GPU/CPU等）负责网络模型的不同部分，通常是神经网络模型的不同网络层被分配到不同的机器，或者同一层内部的不同参数被分配到不同机器。一般是超大的模型，一张显卡放不下的情况，如NLP的模型。模型并行的缺点是层和层之间可能存在依赖关系，不能完全的并行。（图片来自网络）  

 数据并行（ data parallelism ）不同的机器有同一个模型的多个副本，每个机器分配到不同的数据，然后将所有机器的计算结果按照某种方式合并。这种就比较适合大数据的情况。数据并行要解决的问题是数据的分割和传输，以及参数的更新。

3.2 数据并行

Facebook在《Aurate, Large Minibatch SGD: Training ImageNet in 1 Hour》介绍了使用 256 块 GPU 进行 ResNet-50 网络「数据并行」训练的方法

 数据分割: 选用大的batch-size, 按照orker数量进行分割， 分发到不同orker执行  参数更新参数的更新有两种模式（1）参数服务器 （2） ring环状更新（无服务器模式）

3.2.1 参数服务器模式

参数服务器模式，见下图。在每个orker执行完一个batch的训练后，反向传播参数的时候，所有的orker都会把参数传给参数服务器，进行汇总求均值，之后再传给每个orker，进入第二个batch的训练。（图片来自网络）

参数服务器有一个或者多个的结构模式，可以看出这种数据并行的模式效率是否提升取决于参数服务器与orker之间的通信效率，也就是最慢的orker的训练时间和参数服务器的接收和更新参数后再回传的时间。orker数量多的话，参数服务器可能存在瓶颈。（图片来自网络）

3.2.2 ring-reduce

百度提出的ring-reduce摒弃了参数服务器，采用环状结构来更新参数。ring-reduce把所有的orker组成一个两两相邻的环形结构。每个orker只与相邻的orker交换参数。经过几次交换之后，所有的orker都包含其他orker的参数信息，达到更新的目的。（图片来自网络）

下面几张图，可以看到其中的几个步骤；ring-reduce为了加快速度，并不是一次性交换所有的参数；而是先把参数进行分割，不断交换分割后参数。

4. 实现框架Horovod

Horovod 是 Uber 开源的又一个深度学习工具，它的发展吸取了 Facebook「一小时训练 ImageNet 论文」与百度 Ring Allreduce 的优点，可为用户实现分布式训练提供帮助。https://github./horovod/horovod

采用NCCL 替换百度的 ring-allreduce 实现。NCCL 是英伟达的集合通信库，提供高度优化的 ring-allreduce 版本。NCCL 2 允许在多个机器之间运行 ring-allreduc。

如果要把单机的训练代码修改成分布式的代码，只要几个步骤就可以了 改造分布式训练

 horovod安装 建议安装docker的horovod，省去安装环境的麻烦。horovod依赖NCCL 2 open MPI  $ mkdir horovod-docker-gpu  $ get -O horovod-docker-gpu/Dockerfile https://ra.githubusercontent./horovod/horovod/master/Dockerfile.gpu  $ docker build -t horovod:latest horovod-docker-gpu   机器orker机器之间ssh打通  修改训练代码 horovod支持tf,keras,pytorch和mx等不同的深度学习框架。以keras为例，修改主要6个步骤 （1） 初始化hvd.init() （2）分配GPU计算资源config.gpu_options.visible_device_list = str(hvd.local_rank())（3）分布式的优化器来实现参数的分布式更新opt = hvd.DistributedOptimizer(opt)（4）定义所有orker模型初始化一致性 hvd.callbacks.BroadcastGlobalVariablesCallback(0)（5）模型保存在某一个orker    from __future__ import print_function     import keras    from keras.datasets import mnist     from keras.models import Sequential     from keras.layers import Dense, Dropout, Flatten     from keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D     from keras import backend as K     import math     import tensorflo as tf    import horovod.keras as hvd     # Horovod: initialize Horovod.     hvd.init()     # Horovod: pin GPU to be used to process local rank (one GPU per process)     config = tf.ConfigProto()     config.gpu_options.allo_groth = True     config.gpu_options.visible_device_list = str(hvd.local_rank())     K.set_session(tf.Session(configconfig=config))     batch_size = 128     num_classes = 10     # Horovod: adjust number of epochs based on number of GPUs.     epochs = int(math.ceil(12.0 / hvd.size()))     # Input image dimensions    img_ros, img_cols = 28, 28      # The data, shuffled and split beteen train and test sets     (x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()      if K.image_data_format() == 'channels_first':         x_trainx_train = x_train.reshape(x_train.shape[0], 1, img_ros, img_cols)         x_testx_test = x_test.reshape(x_test.shape[0], 1, img_ros, img_cols)         input_shape = (1, img_ros, img_cols)     else:         x_trainx_train = x_train.reshape(x_train.shape[0], img_ros, img_cols, 1)         x_testx_test = x_test.reshape(x_test.shape[0], img_ros, img_cols, 1)         input_shape = (img_ros, img_cols, 1)     x_trainx_train = x_train.astype('float32')     x_testx_test = x_test.astype('float32')     x_train /= 255     x_test /= 255     print('x_train shape:', x_train.shape)     print(x_train.shape[0], 'train samples')     print(x_test.shape[0], 'test samples')     # Convert class vectors to binary class matrices     y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)     y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)     model = Sequential()     model.add(Conv2D(32, kernel_size=(3, 3),                     activation='relu',                     input_shapeinput_shape=input_shape))     model.add(Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))     model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))     model.add(Dropout(0.25))     model.add(Flatten())     model.add(Dense(128, activation='relu'))     model.add(Dropout(0.5))     model.add(Dense(num_classes, activation='softmax'))     # Horovod: adjust learning rate based on number of GPUs.     opt = keras.optimizers.Adadelta(1.0  hvd.size())     # Horovod: add Horovod Distributed Optimizer.     opt = hvd.DistributedOptimizer(opt)     model.pile(loss=keras.losses.categorical_crossentropy,                 optimizer=opt,                 metrics=['auracy'])     callbacks = [         # Horovod: broadcast initial variable states from rank 0 to all other processes.         # This is necessary to ensure consistent initialization of all orkers hen         # training is started ith random eights or restored from a checkpoint.         hvd.callbacks.BroadcastGlobalVariablesCallback(0),     ]     # Horovod: save checkpoints only on orker 0 to prevent other orkers from corrupting them.     if hvd.rank() == 0:         callbacks.append(keras.callbacks.ModelCheckpoint('./checkpoint-{epoch}.h5'))     model.fit(x_train, y_train,             batch_sizebatch_size=batch_size,             callbackscallbacks=callbacks,             epochsepochs=epochs,             verbose=1,             validation_data=(x_test, y_test))     score = model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)     print('Test loss:', score[0])     print('Test auracy:', score[1])   利用horovodrun 执行分布式训练

horovodrun -np 16 -H server1:4,server2:4,server3:4,server4:4 python train.py

5.

本文分享了通过GPU利用率和分布式训练Horovod框架来提升深度学习训练。

 并行CPU加载数据和预处理，让GPU不再等待CPU  采用Horovod让数据并行来提高大数据量的训练的迭代时间