微信扫一扫识别物体训练如何优雅破局？
微信“扫一扫”识物上线一段时间，由前期主要以商品图（鞋子/箱包/美妆/服装/家电/玩具/图书/食品/珠宝/家具/其他）作为媒介来挖掘微信内容生态中有价值的信息，扩张到各种垂类领域的识别，包括植物/动物/汽车/果蔬/酒标/菜品/地标识别等，识别核心依托于深度学习的卷积神经网络模型。随着每天千万级的增长数据和越来越多的模型参数量，深度学习训练一次时间大概需要一周左右。如何能够快速训练优化模型并上线，成为我们亟待解决的问题。
一、引言
如今，依托强大的GPU算力，深度学习得到迅猛发展。在图像处理、语音识别领域掀起了前所未有的一场革命。相较于传统的方法，以卷积神经网络（CNN）为代表的深度学习方法可以高度地重点学习数据的特性，在图像处理领域已经取得了统治地位。
随着扫一扫识物日调用量的持续增加，图片数据正以每天千万级的量级增长，在这个争分夺秒的时代里，得数据者得天下。同时，神经网络的复杂性呈爆炸式增长，像15年微软提出图像分类的ResNet模型有7 ExaFLOPs/6千万个参数，17年谷歌的神经网络机器翻译模型有100 ExaFLOPS/87亿个参数。
在大部分场景下，模型可以在一台GPU服务器上，使用一个或者多个GPU进行训练。但随着数据集的增大，训练时间也相应增长，有些时候训练需要一周甚至更长时间。因此，如何能够快速迭代优化深度学习模型，成为我们算法开发者亟须解决的问题。
下文将通过从分布式训练方法的选择、多机通信技术原理进行讲解，基于Horovod的框架在微信自研平台打通分布式训练和实验结果来介绍微信扫一扫识物中的深度学习模型分布式训练。
二、分布式训练
1. 并行方式
多机多卡相比较于单机单卡，可以将模型训练的时间大大缩短。一般我们一台服务器只支持8张GPU卡，而采用分布式的多机多卡训练方式，可以将几十甚至几百台服务器调度起来一起训练一个模型，进一步突破模型训练的上限。
按照分布式并行训练方式，分布式训练一般分为数据并行和模型并行两种。
（1）数据并行
分布式系统中不同的GPU都有同一个模型的完全拷贝，每个GPU只获得整个数据的不同部分，然后将所有GPU的神经网络梯度按照同步或者异步的方式合并。
（2）模型并行
分布式系统中每个GPU使用相同的数据，所有GPU上只分布着模型的部分内容，训练过程中交换神经网络的激活部分。
因为模型并行各个部分存在一定的依赖，不能随意增加GPU的数量，规模伸缩性差，在实际训练中用的不多。而数据并行，各部分独立，规模伸缩性好，实际训练中更为常用，提速效果也更好。在实现性、容错性和好的集群利用率上，数据并行优于模型并行。
2. 系统架构
分布式训练系统架构主要包括两种：Parameter Server Architecture（就是常见的PS架构，参数服务器）和Ring all-reduce Architecture。
（1）Parameter Server 架构
在PS架构中，集群中的节点被分为两类：parameter server和worker。其中parameter server存放模型的参数，而worker负责计算参数的梯度。
在每个迭代过程，worker从parameter sever中获得参数，然后将计算的梯度返回给parameter server，parameter server聚合从worker传回的梯度，然后更新参数，并将新的参数广播给worker。
（2）Ring all-reduce 架构
在Ring all-reduce架构中，各个设备都是worker，并且形成一个环，没有中心节点来聚合所有worker计算的梯度。在一个迭代过程，每个worker完成自己的mini-batch训练，计算出梯度，并将梯度传递给环中的下一个worker，同时它也接收从上一个worker的梯度。对于一个包含N个worker的环，各个worker需要收到其它N-1个worker的梯度后就可以更新模型参数。
采用PS计算模型的分布式，通常会遇到网络的问题，随着worker数量的增加，其加速比会迅速的恶化。相比PS架构，Ring all-reduce架构网络通信量不随着worker（GPU）的增加而增加，是一个恒定值，集群中每个节点的带宽都被充分利用。
3. 参数更新
（1）同步更新
所有 GPU 在同一时间点与参数服务器交换、融合梯度。在每轮训练的时候需要汇总所有 worker训练得到的梯度值，然后取平均值来更新参数服务器上的模型参数。
（2）异步更新
所有GPU 各自独立与参数服务器通信，交换、融合梯度。每个 worker 在每轮训练开始前从参数服务器获取模型参数，读取训练数据，进行训练，训练结束后便立即应用梯度来更新参数服务器上的模型参数。
异步更新通信效率高速度快，但往往收敛不佳，因为一些速度慢的节点总会提供过时、错误的梯度方向。同步更新通信效率低，通常训练慢，但训练收敛稳定，因为同步更新基本等同于单卡调大的batch size训练。但是传统的同步更新方法（各个GPU卡算好梯度，求和算平均的方式），在融合梯度时，会产生巨大的通信数据量。
通过比对不同分布式并行方式、系统架构和参数更新，微信扫一扫识物最终选择基于数据并行的参数同步更新的Ring all-reduce的分布式训练方法。
三、多机通信技术
相比于单机多卡，多机多卡分布式训练要保证多台机器之间是可以互相通信的以及不同机器之间梯度可传递。
并行任务的通信一般可以分为点对点通信和集体通信。点对点通信这种模式只有一个sender和一个receiver，实现起来比较简单。而涉及到分布式训练，一般是多台服务器，用到集体通信模式，包含多个sender多个receiver。集体通信常用的通信方式主要有下面几个：broadcast、gather、scatter、reduce、all-reduce等。
1. MPI
在微信的自研训练平台中，多机的通信是基于消息传递接口(Message Passing Interface，MPI)来实现的，MPI是一种基于信息传递的并行编程技术，定义了一组具有可移植性的编程接口，是一种编程接口标准。
在基于MPI编程模型中，计算是由一个或多个彼此通过调用库函数进行消息收、发通信的进程所组成。MPI中的通讯器定义了一组能够互相发消息的进程。在这组进程中，每个进程会被分配一个序号，称作秩(rank)，进程间显性地通过指定秩来进行通信。MPI涉及到的一些操作包括数据移动，聚集、同步等。
由于深度学习训练参数大多在GPU上的，如果只是依靠MPI来同步参数，参数需要先从GPU搬到CPU，然后不同机器CPU之间再通信，通信结束之后再将参数从CPU搬到GPU，这个过程的通信效率是很低的。所以为了提高通信效率，在训练的过程中使用基于nvidia开发的NCCL进行通信。
2. NCCL
NCCL是Nvidia Collective multi-GPU Communication Library的简称，是Nvidia开发的能够实现多GPU的集体通信的库，能够很方便的集成至任何深度学习的训练框架。在实现 Allreduce、Reduce、Broadcast、Allgather等方面做了很多优化，可以在PCIe、Nvlink、InfiniBand上实现较高的通信速度。
目前NCCL1.0版本只支持单机多卡，卡之间通过PCIe、NVlink、GPU Direct P2P来通信。NCCL 2.0会支持多机多卡，多机间通过Sockets (Ethernet)或者InfiniBand with GPU Direct RDMA通信。
四、Horovod训练框架
目前分布式训练框架有许多，Horovod 是 Uber 开源的一个深度学习工具，囊括了TensorFlow, Keras, PyTorch, and Apache MXNet 这些分布式训练框架。
并且Horovod的梯度同步和权值同步利用基于MPI和NCCL的 all-reduce算法,而非参数服务器架构,通信效率更高。Horovod可以利用NVLINK、RDMA、GPUDirectRDMA、自动检测通信拓扑以及回退到 PCIe 和 TCP/IP 通信这些功能。同时，将已有的训练代码改成分布式训练代码，改动量少，简化分布式训练的运行和启动。
基于此，微信扫一扫识物选择Horovod的分布式训练框架，在微信自研的训练平台上进行训练。
Horovod的多机通信初始化是基于MPI的,通过MPI初始化通信环境和进程分配。有如下几个常用的环境参数：
- size: 进程数量，也就是GPU数量；
- rank：进程的唯一ID， 0-size；
- local size: 每个worker的本地进程数量；
- local rank: 每个worker的进程本地唯一ID。
通过这些参数来控制机器进程之间的通信。
由于训练采用的是数据并行这种模式，所以需要对数据进行分布式采样。Horovod可以直接调用pytorch自带的分布式采样函数torch.utils.data.distributed.DistributedSampler。
这种方式可以适用于简单的分布式训练任务。但是在识物的检索训练过程中，我们希望dataloader可以做一些平衡采样或者三元组采样，上面的sampler只支持分布式采样。
由于pytorch的DataLoader的部分初始化参数之间存在互斥关系，如果自定义了sampler,那么这些参数batch_size、shuffle、batch_sampler、drop_last都必须使用默认值。所以我们重写batch_sampler，将分布式的sampler作为参数传入新构造的batch_sampler。
Horovod内部实现了广播操作，使模型在所有工作进程中实现一致性初始化。在加载模型权重的时候，只要在rank0的机器上加载，然后使用广播机制，就可以将参数同步到其他机器上进行权重初始化。
在训练过程中，计算损失函数时需要涉及到allreduce操作，将所有worker的损失规约，然后再进行梯度传播。最后在保存模型时，只要指定一台机器保存模型即可。
五、实验结果
分布式训练除了训练阶段的通信要尽可能的快，数据的IO也是需要考虑的地方。扫一扫识物的检索模型是基于大量的图像数据训练的。在进行分布式训练时，每个机器都需要能够读取这些训练数据，图片文件存到微信自研分布式存储系统上。
在训练时，分布式训练的加速比和GPU数目正相关。在mnist数据集上基于resnet50测试分布式训练运行时间, 单机运行mnist 100个epoch需要78min，多机使用4块GPU训练100个epoch 23min。
在我们实际项目的模型训练中，基于分布式训练可以将以往需要训练5天甚至一周的时间缩短到1天以内，在同样的时间内，算法开发者可以探索更多的实验，快速反馈更新，大大提高了算法研发的效率。
六、总结与展望
目前扫一扫识物在微信自研训练平台上能够成功进行分布式训练，但仍然存在以下问题：如何能够高效地存放读取大量图片小文件，减少IO的耗时。道阻且长,行则将至，在后续工作中我们将针对这些问题进行探索。
参考文献：
[1] Li M, Andersen D G, Park J W, et al. Scaling distributed machine learning with the parameter server[C]//11th {USENIX} Symposium on Operating Systems Design and Implementation ({OSDI} 14). 2014: 583-598.
[2]https://mpitutorial.com/tutorials/
[3]https://developer.nvidia.com/nccl
[4]https://eng.uber.com/horovod/
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