GPU如何训练大批量模型？方法在这里

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。

分布式计算

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 的大型生成预训练 Transformer 或最近类似的 BERT 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《Meta-Learning a Dynamical Language Model》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。