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TensorFlow在推薦系統(tǒng)中的分布式訓(xùn)練優(yōu)化實踐

美團內(nèi)部深度定制的TensorFlow版本，基于原生TensorFlow 1.x架構(gòu)與接口，從大規(guī)模稀疏參數(shù)的支持、訓(xùn)練模式、分布式通信優(yōu)化、流水線優(yōu)化、算子優(yōu)化融合等多維度進行了深度優(yōu)化。在推薦系統(tǒng)場景中，分布式擴展性提升10倍以上，單位算力性能也有顯著提升，并在美團內(nèi)部業(yè)務(wù)中大量使用，本文介紹了相關(guān)的優(yōu)化與實踐工作。

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1 背景

TensorFlow（下文簡稱TF）是谷歌推出的一個開源深度學(xué)習(xí)框架，在美團推薦系統(tǒng)場景中得到了廣泛的使用。但TensorFlow官方版本對工業(yè)級場景的支持，目前做得并不是特別的完善。美團在大規(guī)模生產(chǎn)落地的過程中，遇到了以下幾方面的挑戰(zhàn)：

所有參數(shù)都是用Variable表達(dá)，對于百億以上的稀疏參數(shù)開辟了大量的內(nèi)存，造成了資源的浪費；
只支持百級別Worker的分布式擴展，對上千Worker的擴展性較差；
由于不支持大規(guī)模稀疏參數(shù)動態(tài)添加、刪除，增量導(dǎo)出，導(dǎo)致無法支持Online Learning；
大規(guī)模集群運行時，會遇到慢機和宕機；由于框架層不能處理，導(dǎo)會致任務(wù)運行異常。

以上這些問題，并不是TensorFlow設(shè)計的問題，更多是底層實現(xiàn)的問題?？紤]到美團大量業(yè)務(wù)的使用習(xí)慣以及社區(qū)的兼容性，我們基于原生TensorFlow 1.x架構(gòu)與接口，從大規(guī)模稀疏參數(shù)的支持、訓(xùn)練模式、分布式通信優(yōu)化、流水線優(yōu)化、算子優(yōu)化融合等多維度進行了深度定制，從而解決了該場景的核心痛點問題。首先新系統(tǒng)在支持能力層面，目前可以做到千億參數(shù)模型，上千Worker分布式訓(xùn)練的近線性加速，全年樣本數(shù)據(jù)能夠1天內(nèi)完成訓(xùn)練，并支持Online Learning的能力。同時，新系統(tǒng)的各種架構(gòu)和接口更加友好，美團內(nèi)部包括美團外賣、美團優(yōu)選、美團搜索、廣告平臺、大眾點評Feeds等業(yè)務(wù)部門都在使用。本文將重點介紹大規(guī)模分布式訓(xùn)練優(yōu)化的工作，希望對大家能夠有所幫助或啟發(fā)。

2 大規(guī)模訓(xùn)練優(yōu)化挑戰(zhàn)

2.1 業(yè)務(wù)迭代帶來的挑戰(zhàn)

隨著美團業(yè)務(wù)的發(fā)展，推薦系統(tǒng)模型的規(guī)模和復(fù)雜度也在快速增長，具體表現(xiàn)如下：

訓(xùn)練數(shù)據(jù)：訓(xùn)練樣本從到百億增長到千億，增長了近10倍。
稀疏參數(shù)：個數(shù)從幾百到幾千，也增長了近10倍；總參數(shù)量從幾億增長到百億，增長了10~20倍。
模型復(fù)雜度：越來越復(fù)雜，模型單步計算時間增長10倍以上。

對于大流量業(yè)務(wù)，一次訓(xùn)練實驗，從幾個小時增長到了幾天，而此場景一次實驗保持在1天之內(nèi)是基本的需求。

2.2 系統(tǒng)負(fù)載分析

2.2.1 問題分析工具鏈

TensorFlow是一個非常龐大的開源項目，代碼有幾百萬行之多，原生系統(tǒng)的監(jiān)控指標(biāo)太粗，且不支持全局的監(jiān)控，如果要定位一些復(fù)雜的性能瓶頸點，就比較困難。我們基于美團已經(jīng)開源的監(jiān)控系統(tǒng)CAT[2]，構(gòu)建了TensorFlow的細(xì)粒度監(jiān)控鏈路（如下圖1所示），可以精準(zhǔn)定位到性能的瓶頸問題。

圖1 TensorFlow PS架構(gòu)全鏈路監(jiān)控同時，在性能優(yōu)化的過程中，會涉及到大量的性能測試和結(jié)果分析，這也是一個非常耗費人力的工作。我們抽象了一套自動化的實驗框架（如下圖2所示），可以自動化、多輪次地進行實驗，并自動采集各類監(jiān)控指標(biāo)，然后生成報告。

圖2 自動化實驗框架

2.2.2 業(yè)務(wù)視角的負(fù)載分析

在推薦系統(tǒng)場景中，我們使用了TensorFlow Parameter Server[3]（簡稱PS）異步訓(xùn)練模式來支持業(yè)務(wù)分布式訓(xùn)練需求。對于這套架構(gòu)，上述的業(yè)務(wù)變化會帶來什么樣的負(fù)載變化？如下圖3所示：

圖3 TensorFlow PS架構(gòu)大規(guī)模訓(xùn)練負(fù)載分析總結(jié)來看，主要包括通信壓力、PS并發(fā)壓力、Worker計算壓力。對于分布式系統(tǒng)來說，通常是通過橫向擴展來解決負(fù)載問題。雖然看來起可以解決問題，但從實驗結(jié)果來看，當(dāng)PS擴展到一定數(shù)量后，單步訓(xùn)練時間反而會增加，如下圖4所示：

圖4 擴展PS提升訓(xùn)練性能實驗

導(dǎo)致這種結(jié)果的核心原因是：Worker單步訓(xùn)練需要和所有的PS通信同步完成，每增加1個PS要增加N條通信鏈路，這大大增加了鏈路延遲（如下圖5所示）。而一次訓(xùn)練要執(zhí)行上百萬、上千萬步訓(xùn)練。最終導(dǎo)致鏈路延遲超過了加PS算力并發(fā)的收益。

圖5 增加PS帶來的鏈路開銷而對于這個系統(tǒng)，優(yōu)化的核心難點在于：如何在有限的PS實例下，進行分布式計算的優(yōu)化。

3 優(yōu)化實踐

3.1 大規(guī)模稀疏參數(shù)介紹

對于推薦系統(tǒng)模型，絕大多數(shù)參數(shù)都是稀疏參數(shù)，而對稀疏參數(shù)來說有一個非常重要的操作是Embedding，這個操作通常也是負(fù)載最重的，也是后續(xù)優(yōu)化的重點。由于我們對稀疏參數(shù)進行了重新定義，后續(xù)的優(yōu)化也基于此之上，所以我們先介紹一下這部分的工作。在原生的TensorFlow中構(gòu)建Embedding模塊，用戶需要首先創(chuàng)建一個足夠裝得下所有稀疏參數(shù)的Variable，然后在這個Variable上進行Embedding的學(xué)習(xí)。然而，使用Variable來進行Embedding訓(xùn)練存在很多弊端：

Variable的大小必須提前設(shè)定好，對于百億千億的場景，該設(shè)定會帶來巨大的空間浪費；
訓(xùn)練速度慢，無法針對稀疏模型進行定制優(yōu)化。

我們首先解決了有無的問題，使用HashTable來替代Variable，將稀疏特征ID作為Key，Embedding向量作為Value。相比原生使用Variable進行Embedding的方式，具備以下的優(yōu)勢：

HashTable的大小可以在訓(xùn)練過程中自動伸縮，避免了開辟冗余的存儲空間，同時用戶無需關(guān)注申請大小，從而降低了使用成本。
針對HashTable方案實施了一系列定制優(yōu)化，訓(xùn)練速度相比Variable有了很大的提高，可以進行千億規(guī)模模型的訓(xùn)練，擴展性較好。
得益于稀疏參數(shù)的動態(tài)伸縮，我們在此基礎(chǔ)上支持了Online Learning。
API設(shè)計上保持與社區(qū)版本兼容，在使用上幾乎與原生Variable一致，對接成本極低。

簡化版的基于PS架構(gòu)的實現(xiàn)示意如下圖6所示：

圖6 支撐大規(guī)模稀疏參數(shù)的HashTable方案核心流程大致可以分為以下幾步：

稀疏特征ID（通常我們會提前完成統(tǒng)一編碼的工作）進入Embedding模塊，借助TensorFlow搭建的Send-Recv機制，這些稀疏特征ID被拉取到PS端，PS端上的Lookup等算子會實際從底層HashTable中查詢并組裝Embedding向量。
上述Embedding向量被Worker拉回進行后續(xù)訓(xùn)練，并通過反向傳播計算出這部分參數(shù)的梯度，這些梯度進一步被位于PS端的優(yōu)化器拉回。
PS端的優(yōu)化器首先調(diào)用Find算子，從HashTable獲取到梯度對應(yīng)的原始稀疏參數(shù)向量和相應(yīng)的優(yōu)化器參數(shù)，最終通過優(yōu)化算法，完成對Embedding向量和優(yōu)化器參數(shù)的更新計算，再通過Insert算子插入HashTable中。

3.2 分布式負(fù)載均衡優(yōu)化

這部分優(yōu)化，是分布式計算的經(jīng)典優(yōu)化方向。PS架構(gòu)是一個典型的“水桶模型”，為了完成一步訓(xùn)練，Worker端需要和所有PS完成交互，因此PS之間的平衡就顯得非常重要。但是在實踐中，我們發(fā)現(xiàn)多個PS的耗時并不均衡，其中的原因，既包括TensorFlow PS架構(gòu)簡單的切圖邏輯（Round-Robin）帶來的負(fù)載不均衡，也有異構(gòu)機器導(dǎo)致的不均衡。對于推薦模型來說，我們的主要優(yōu)化策略是，把所有稀疏參數(shù)和大的稠密參數(shù)自動、均勻的切分到每個PS上，可以解決大多數(shù)這類問題。而在實踐過程中，我們也發(fā)現(xiàn)一個比較難排查的問題：原生Adam優(yōu)化器，實現(xiàn)導(dǎo)致PS負(fù)載不均衡。下面會詳細(xì)介紹一下。在Adam優(yōu)化器中，它的參數(shù)優(yōu)化過程需要兩個β參與計算，在原生TensorFlow的實現(xiàn)中，這兩個β是所有需要此優(yōu)化器進行優(yōu)化的Variabl（或HashTable）所共享的，并且會與第一個Variable（名字字典序）落在同一個PS上面，這會帶來一個問題：每個優(yōu)化器只擁有一個β和一個β，且僅位于某個PS上。因此，在參數(shù)優(yōu)化的過程中，該PS會承受遠(yuǎn)高于其他PS的請求，從而導(dǎo)致該PS成為性能瓶頸。

圖7 Adam優(yōu)化算法但是通過觀察Adam的優(yōu)化算法，我們可以看到β和β都是常量，且藍(lán)色高亮的部分都是相對獨立的計算過程，各個PS之間可以獨立完成?；谶@樣的發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化的方法也就非常直觀了，我們?yōu)槊恳粋€PS上的Adam優(yōu)化器冗余創(chuàng)建了β參數(shù)，并在本地計算t和alpha值，去除了因此負(fù)載不均導(dǎo)致的PS熱點問題。該優(yōu)化所帶來的提升具備普適性且效果明顯，在美團內(nèi)部某業(yè)務(wù)模型上，通過β熱點去除可以帶來9%左右的性能提升。此外，由于擺脫了對β的全局依賴，該優(yōu)化還能提高PS架構(gòu)的可擴展性，在擴增Worker數(shù)量的時候相比之前會帶來更好的加速比。

3.3 通信優(yōu)化

通過2.2章節(jié)的分析可知，系統(tǒng)的通信壓力也非常大，我們主要基于RDMA做了通信優(yōu)化的工作。首先簡單介紹一下RDMA，相比較于傳統(tǒng)基于套接字TCP/IP協(xié)議棧的通信過程，RDMA具有零拷貝、內(nèi)核旁路的優(yōu)勢，不僅降低了網(wǎng)絡(luò)的延遲，同時也降低了CPU的占用率，RDMA更適合深度學(xué)習(xí)模型的相關(guān)通信過程。RDMA主要包括三種協(xié)議Infiniband、RoCE(V1, V2)、iWARP。在美團內(nèi)部的深度學(xué)習(xí)場景中，RDMA通信協(xié)議使用的是RoCE V2協(xié)議。目前在深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練領(lǐng)域，尤其是在稠密模型訓(xùn)練場景（NLP、CV等），RDMA已經(jīng)是大規(guī)模分布式訓(xùn)練的標(biāo)配。然而，在大規(guī)模稀疏模型的訓(xùn)練中，開源系統(tǒng)對于RDMA的支持非常有限，TensorFlow Verbs[4]通信模塊已經(jīng)很長時間沒有更新了，通信效果也并不理想，我們基于此之上進行了很多的改進工作。經(jīng)過優(yōu)化后的版本，在1TB Click Logs[5]公開數(shù)據(jù)集、DLRM[6]模型、100個Worker以上的訓(xùn)練，性能提升了20%~40%。在美團的多個業(yè)務(wù)模型上，對比TensorFlow Seastar[7]改造的通信層實現(xiàn)也有10%~60%的速度提升。同時也把我們的工作回饋給了社區(qū)。

3.3.1 Memory Registration優(yōu)化

RDMA有三種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絊END/RECV、WRITE、READ，其中WRITE、READ類似于數(shù)據(jù)發(fā)送方直接在遠(yuǎn)程Memory進行讀寫，Receiver無法感知，WRITE和READ適用于批量數(shù)據(jù)傳輸。在TensorFlow內(nèi)部，基于RDMA的數(shù)據(jù)傳輸方式使用的是WRITE單邊通信模式。

圖8 RDMA傳輸方式在RDMA傳輸數(shù)據(jù)時，需要提前開辟內(nèi)存空間并將其注冊到網(wǎng)卡設(shè)備上（Memory Registration過程，下稱MR），使得這片空間可以被網(wǎng)卡直接操作。開辟新的內(nèi)存并注冊到設(shè)備上，整個過程是比較耗時的。下圖9展示了不同大小的內(nèi)存綁定到網(wǎng)卡設(shè)備上的耗時，可以看到隨著注冊內(nèi)存的增大，綁定MR的耗時迅速增加。

圖9 MR過程開銷社區(qū)版Tensorflow RDMA實現(xiàn)，Tensor創(chuàng)建依舊沿用了統(tǒng)一的BFC Allocator，并將所有創(chuàng)建的Tensor都注冊到MR上。正如上面所提到的，MR的注冊綁定具有性能開銷，高頻、大空間的MR注冊會帶來顯著的性能下降。而訓(xùn)練過程中的Tensor，只有那些涉及到跨節(jié)點通信的Tensor有必要進行MR，其余Tensor并不需要注冊到MR。因此，優(yōu)化的方法也就比較直接了，我們識別并管理那些通信Tensor，僅對這些跨節(jié)點通信的Tensor進行MR注冊就好了。

3.3.2 RDMA靜態(tài)分配器

RDMA靜態(tài)分配器是上一個MR注冊優(yōu)化的延伸。通過Memory Registration優(yōu)化，去除非傳輸Tensor的MR注冊，我們降低了MR注冊數(shù)量。但是在稀疏場景大規(guī)模的訓(xùn)練下，并行訓(xùn)練的Worker常有幾百上千個，這會帶來新的問題：

PS架構(gòu)中的PS和Worker互為Client-Server，這里以PS端為例，當(dāng)Worker數(shù)目增加到上千個時，Worker數(shù)目的增多，造成PS端MR注冊頻次還是非常高，增加了內(nèi)存分配注冊的耗時。
由于稀疏場景不同Step之間同一個算子輸出Tensor的形狀可能發(fā)生變化，導(dǎo)致了創(chuàng)建的MR可復(fù)用性較差，帶來了較高的內(nèi)存碎片和重復(fù)注冊MR開銷。

針對上面的問題，我們引入了MR靜態(tài)分配器的策略。

圖10 MR靜態(tài)分配器

這里核心的設(shè)計思路為：

雖然稀疏場景同一個算子輸出Tensor的Shape存在變化的可能，但是整體變化幅度可控，通過監(jiān)控與分析，是可以找到一個較為穩(wěn)定的內(nèi)存大小，滿足多Step間Tensor的存儲需求。
基于上面的信息，我們修改了原有逐Tensor(Request)的MR申請策略，通過一次性預(yù)申請一塊較大的空間并注冊到網(wǎng)卡端，后續(xù)通過自己維護的分配策略進行空間的分配，大大降低了MR申請的頻率，絕大多數(shù)情況下，訓(xùn)練全過程中只需要一次MR注冊申請即可。
我們引入了一種簡單的交換協(xié)議，將傳輸Tensor的Shape，Data打包到一起，寫到Client端。Client端根據(jù)協(xié)議，解析出Tensor大小，并最終讀取Data，避免了原生實現(xiàn)中因Tensor的Shape變化而產(chǎn)生的多次協(xié)商過程。

圖11 MR靜態(tài)分配器構(gòu)造流程具體到實現(xiàn)中，我們引入了Allocation Analysis模塊，在訓(xùn)練開始的一段時間，我們會對分配的歷史數(shù)據(jù)進行分析，以得到一個實際預(yù)開辟MR大小以及各個Tensor的預(yù)留空間大小。然后我們會暫停訓(xùn)練的進程，啟動Allocator的構(gòu)造過程，包括MR的創(chuàng)建以及通信雙端的信息同步。利用相關(guān)信息構(gòu)造MR Info Map，這個Map的Key是傳輸Tensor的唯一標(biāo)記（ParsedKey，計算圖切圖時確定），Info結(jié)構(gòu)體中包含了本地地址指針、offset大小、ibv_send_wr相關(guān)信息等。然后恢復(fù)訓(xùn)練，后續(xù)Tensor的傳輸就可以使用靜態(tài)開辟好的MR進行收發(fā)，也免去了因Shape變化而產(chǎn)生的多次協(xié)商過程。

3.3.3 Multi RequestBuffer與CQ負(fù)載均衡

TensorFlow社區(qū)版的RDMA通信過程，不僅僅包含上面Tensor數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程，還包括傳輸相關(guān)的控制消息的發(fā)送和接收過程，控制消息的發(fā)送和接收過程同樣是使用了ibv_post_send和ibv_post_recv原語。原生的控制流實現(xiàn)存在一些瓶頸，在大規(guī)模訓(xùn)練時會限制控制流的吞吐，進而影響數(shù)據(jù)收發(fā)的效率。具體體現(xiàn)在：

請求的發(fā)送通過同一片RequestBuffer內(nèi)存進行寫出，多個Client的請求均依賴這一片Buffer，也就導(dǎo)致到控制流信息實際是串行發(fā)送的，只有等到對端的Ack信息后，才可以下一個Request的寫出，限制了請求的發(fā)送吞吐。
在Client端需要輪詢RDMA Completion Queue來獲得請求的到達(dá)，以及相關(guān)狀態(tài)的變更。原生實現(xiàn)僅有一個Completion Queue，單線程進行輪詢處理，在大規(guī)模分布式訓(xùn)練中，限制了應(yīng)答的效率。

針對上面的問題，我們采用了Multi RequestBuffer與CQ負(fù)載均衡優(yōu)化，破除了在請求發(fā)送和請求應(yīng)答環(huán)節(jié)可能存在的吞吐瓶頸。

3.3.4 Send-Driven & Rendezvous-Bypass

對于Tensorflow PS架構(gòu)熟悉的同學(xué)會了解，一整張計算圖被切割為Worker端和PS端后，為了使兩張計算圖能夠彼此交換數(shù)據(jù)，建立了基于Rendezvous（匯合點）機制的異步數(shù)據(jù)交換模式。如下圖12所示：

圖12 TensoFlow切圖之Send-Recv對添加基于上圖的切圖邏輯，Recv算子代表著這一側(cè)計算圖有Tensor的需求，而Tensor的生產(chǎn)者則位于與之配對的另一設(shè)備上的Send算子背后。在具體實現(xiàn)上，Tensorflow實現(xiàn)了Recv-Driven的數(shù)據(jù)交換模式，如上圖所示，位于DeviceA和DeviceB的兩張計算圖會異步并發(fā)的執(zhí)行，位于DeviceB的Recv執(zhí)行時會發(fā)起一條RPC請求發(fā)往DeviceA，DeviceA收到請求后，會將請求路由到Rendezvous中，如果在當(dāng)中發(fā)現(xiàn)所需要的數(shù)據(jù)已經(jīng)生產(chǎn)好，并被Send算子注冊了進來，那么就地獲取數(shù)據(jù)，返回給DeviceB；如果此時數(shù)據(jù)還沒有生產(chǎn)好，則將來自于DeviceB的Recv請求注冊在Rendezvous中，等待后續(xù)DeviceA生產(chǎn)好后，由Send算子發(fā)送過來，找到注冊的Recv，觸發(fā)回調(diào)，返回數(shù)據(jù)給DeviceB。我們看到，匯合點機制優(yōu)雅地解決了生產(chǎn)者消費者節(jié)奏不同情況下數(shù)據(jù)交換的問題。不過Recv-Driven的模式也引入了兩個潛在的問題：

據(jù)我們的觀察，在實際業(yè)務(wù)模型中，在Rendezvous中Recv算子等待Send算子的比例和Send算子等待Recv算子的比例相當(dāng)，也就是說對于Send等到Recv的數(shù)據(jù)，在Send準(zhǔn)備好的那一剎那就可以發(fā)給對端，但是由于機制實現(xiàn)問題，還是等待Recv算子過來，才將數(shù)據(jù)拉取回去，通信過程耗時較長。
Rendezvous作為一個數(shù)據(jù)交換的熱點，它內(nèi)部的邏輯開銷并不低。

針對上面提到的問題，我們在RDMA上實現(xiàn)了另外一種數(shù)據(jù)交換的模式，叫做Send-Driven模式。與Recv-Driven模式相對，顧名思義就是有Send算子直接將數(shù)據(jù)寫到Recv端，Recv端接收數(shù)據(jù)并注冊到本地Rendezvous中，Recv算子直接從本地的Rendezvous中獲取數(shù)據(jù)。具體流程如下圖13所示：

圖13 原生的Recv-Driven與補充的Send-Driven機制從圖中可以看到，相較于Recv-Driven模式，Send-Driven模式的通信流程得到了比較大的簡化，另外在數(shù)據(jù)ready后立即發(fā)送的特性，跳過了一側(cè)的Rendezvous，并且對于生產(chǎn)者先于消費者的情況，可以加快消費端數(shù)據(jù)獲取的速度。

3.4 延遲優(yōu)化

這部分優(yōu)化，也是分布式計算的經(jīng)典優(yōu)化方向。整個流程鏈路上那些可以精簡、合并、重疊需要不斷去挖掘。對于機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)來說，相比其它的系統(tǒng)，還可以用一些近似的算法來做這部分工作，從而獲得較大的性能提升。下面介紹我們在兩個這方面做的一些優(yōu)化實踐。

3.4.1 稀疏域參數(shù)聚合

在啟用HashTable存儲稀疏參數(shù)后，對應(yīng)的，一些配套參數(shù)也需要替換為HashTable實現(xiàn)，這樣整個計算圖中會出現(xiàn)多張HashTable以及大量的相關(guān)算子。在實踐中，我們發(fā)現(xiàn)需要盡量降低Lookup/Insert等算子的個數(shù)，一方面降低PS的負(fù)載，一方面降低RPC QPS。因此，針對稀疏模型的常見用法，我們進行了相關(guān)的聚合工作。以Adam優(yōu)化器為例，需要創(chuàng)建兩個slot，以保存優(yōu)化中的動量信息，它的Shape與Embedding相同。在原生優(yōu)化器中，這兩個Variable是單獨創(chuàng)建的，并在反向梯度更新的時候會去讀寫。同理，使用HashTable方案時，我們需要同時創(chuàng)建兩張單獨的HashTable用來訓(xùn)練m、v參數(shù)。那么在前向，反向中需要分別對Embedding、 m、v進行一次Lookup和一次Insert，總共需要三次Lookup和三次Insert。這里一個優(yōu)化點就是將Embedding、 m、v，以及低頻過濾的計數(shù)器（見下圖14的Counting HashTable）聚合到一起，作為HashTable的Value，這樣對稀疏參數(shù)的相關(guān)操作就可以聚合執(zhí)行，大大減少了稀疏參數(shù)操作頻次，降低了PS的壓力。

圖14 基于HashTable的參數(shù)融合策略該特性屬于一個普適型優(yōu)化，開啟聚合功能后，訓(xùn)練速度有了顯著的提高，性能提升幅度隨著模型和Worker規(guī)模的變化，效果總是正向的。在美團內(nèi)部真實業(yè)務(wù)模型上，聚合之后性能相比非聚合方式能提升了45%左右。

3.4.2 Embedding流水線優(yōu)化

流水線，在工業(yè)生產(chǎn)中，指每一個生產(chǎn)單位只專注處理某個片段的工作，以提高工作效率及產(chǎn)量的一種生產(chǎn)方式。在計算機領(lǐng)域內(nèi)，更為大家熟知的是，流水線代表一種多任務(wù)之間Overlap執(zhí)行的并行化技術(shù)。例如在典型的RISC處理器中，用戶的程序由大量指令構(gòu)成，而一條指令的執(zhí)行又可以大致分為：取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、寫回等環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)會利用到指令Cache、數(shù)據(jù)Cache、寄存器、ALU等多種不同的硬件單元，在每一個指令周期內(nèi)，這5個環(huán)節(jié)的硬件單元會并行執(zhí)行，得以更加充分的利用硬件能力，以此提高整個處理器的指令吞吐性能。處理器的指令流水線是一套復(fù)雜而系統(tǒng)的底層技術(shù)，但其中的思想在分布式深度學(xué)習(xí)框架中也被大量的使用，例如：

如果將分布式訓(xùn)練簡單的抽象為計算和通信兩個過程，絕大多數(shù)主流的深度學(xué)習(xí)框架都支持在執(zhí)行計算圖DAG時，通信和計算的Overlap。
如果將深度模型訓(xùn)練簡單的分為前向和反向，在單步內(nèi)，由于兩者的強依賴性，無法做到有效并行，字節(jié)BytePS[8]中引入的通信調(diào)度打破了step iteration間的屏障，上一輪的部分參數(shù)更新完畢后，即可提前開始下輪的前向計算，增強了整體視角下前反向的Overlap。
百度AIBox[9]為了解決CTR場景GPU訓(xùn)練時，參數(shù)位于主存，但計算位于GPU的問題，巧妙調(diào)度不同硬件設(shè)備，搭建起了主要利用CPU/主存/網(wǎng)卡的參數(shù)預(yù)準(zhǔn)備階段和主要利用GPU/NVLink的網(wǎng)絡(luò)計算階段，通過兩個階段的Overlap達(dá)到更高的訓(xùn)練吞吐。

我們看到，在深度學(xué)習(xí)框架設(shè)計上，通過分析場景，可以從不同的視角發(fā)掘可并行的階段，來提高整體的訓(xùn)練吞吐。對于大規(guī)模稀疏模型訓(xùn)練時，核心模型流程是：先執(zhí)行稀疏參數(shù)的Embedding，然后執(zhí)行稠密部分子網(wǎng)絡(luò)。其中稀疏參數(shù)Embedding在遠(yuǎn)端PS上執(zhí)行，主要耗費網(wǎng)絡(luò)資源，而稠密部分子網(wǎng)絡(luò)在本地Worker執(zhí)行，主要耗費計算資源。這兩部分占了整個流程的大部分時間，在美團某實際業(yè)務(wù)模型上分別耗時占比：40%+、50%+。那我們是否可以提前執(zhí)行稀疏參數(shù)的Embedding，來做到通信和計算的Overlap，隱藏掉這部分時間呢？從系統(tǒng)實現(xiàn)上肯定是可行的，但從算法上講，這樣做會引入?yún)?shù)Staleness的問題，可能會導(dǎo)致模型精度受到影響。但在實際的生產(chǎn)場景中，大規(guī)模異步訓(xùn)練時本身就會帶來幾十到幾百個步的滯后性問題。經(jīng)過我們測試，提前獲取一兩步的稀疏參數(shù)，模型精度并未受到影響。在具體實現(xiàn)上，我們把整個計算圖拆分為Embedding Graph（EG）和Main Graph（MG）兩張子圖，兩者異步獨立執(zhí)行，做到拆分流程的Overlap（整個拆分過程，可以做到對用戶透明）。EG主要覆蓋從樣本中抽取Embedding Key，查詢組裝Embedding向量，Embedding向量更新等環(huán)節(jié)。MG主要包含稠密部分子網(wǎng)絡(luò)計算、梯度計算、稠密參數(shù)部分更新等環(huán)節(jié)。

圖15 Embedding流水線模塊交互關(guān)系兩張子圖的交互關(guān)系為：EG向MG傳遞Embeding向量（從MG的視角看，是從一個稠密Variable讀取數(shù)值）；MG向EG傳遞Embedding參數(shù)對應(yīng)的梯度。上述兩個過程的表達(dá)都是TensorFlow的計算圖，我們利用兩個線程，兩個Session并發(fā)的執(zhí)行兩張計算圖，使得兩個階段Overlap起來，以此到達(dá)了更大的訓(xùn)練吞吐。

圖16 Embedding流水線架構(gòu)流程圖上圖是Embedding流水線的架構(gòu)流程圖。直觀來看分為左側(cè)的樣本分發(fā)模塊，頂部的跨Session數(shù)據(jù)交換模塊，以及自動圖切分得到的Embedding Graph和Main Graph，藍(lán)色的圓圈代表新增算子，橙色箭頭代表EG重點流程，藍(lán)色箭頭代表MG重點流程，紅色箭頭代表樣本數(shù)據(jù)重點流程。

以對用戶透明的形式引入了一層名為Pipeline Dataset的抽象層，這一層的產(chǎn)生是為了滿足EG/MG兩張計算圖以不同節(jié)奏運行的需求，支持自定義配置。另外，為了使得整個流水線中的數(shù)據(jù)做到彼此的配套，這里還會負(fù)責(zé)進行一個全局Batch ID的生成及注冊工作。Pipeline Dataset對外暴露兩種Iterator，一個供EG使用，一個供MG使用。Pipeline Dataset底部共享TensorFlow原生的各層Dataset。
頂部的ExchangeManager是一個靜態(tài)的，跨Session的數(shù)據(jù)交換媒介，對外暴露數(shù)據(jù)注冊和數(shù)據(jù)拉取的能力。抽象這個模塊的原因是，EG和MG原本歸屬于一張計算圖，因為流水線的原因拆解為拆為兩張圖，這樣我們需要建立一種跨Session的數(shù)據(jù)交換機制，并準(zhǔn)確進行配套。它內(nèi)部以全局Batch ID做Key，后面管理了樣本數(shù)據(jù)、Embeding向量、Embedding梯度、Unique后的Index等數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)這些數(shù)據(jù)的生命周期管理。
中間的Embedding Graph由獨立的TF Session運行于一個獨立的線程中，通過a算子獲得樣本數(shù)據(jù)后，進行特征ID的抽取等動作，并進行基于HashTable方法的稀疏參數(shù)查詢，查詢結(jié)果通過c算子放置到ExchangeManager中。EG中還包含用于反向更新的f算子，它會從ExchangeManager中獲取Embedding梯度和與其配套的前向參數(shù)，然后執(zhí)行梯度更新參數(shù)邏輯。
下面的Main Graph負(fù)責(zé)實際稠密子網(wǎng)絡(luò)的計算，我們繼承并實現(xiàn)一種可訓(xùn)練的EmbeddingVariable，它的構(gòu)建過程（d算子）會從ExchangeManager查找與自己配套的Embedding向量封裝成EmbeddingVariable，給稠密子網(wǎng)絡(luò)。此外，在EmbeddingVariable注冊的反向方法中，我們添加了e算子使得Embedding梯度得以添加到ExchangeManager中，供EG中的f算子消費。

通過上面的設(shè)計，我們就搭建起了一套可控的EG/MG并發(fā)流水線訓(xùn)練模式?？傮w來看，Embedding流水線訓(xùn)練模式的收益來源有：

經(jīng)過我們對多個業(yè)務(wù)模型的Profiling分析發(fā)現(xiàn)，EG和MG在時間的比例上在3:7或4:6的左右，通過將這兩個階段并行起來，可以有效的隱藏Embedding階段，使得MG網(wǎng)絡(luò)計算部分幾乎總是可以立即開始，大大加速了整體模型的訓(xùn)練吞吐。
TensorFlow引擎中當(dāng)使用多個優(yōu)化器（稀疏與非稀疏）的時候，會出現(xiàn)重復(fù)構(gòu)建反向計算圖的問題，一定程度增加了額外計算，通過兩張子圖的拆分，恰好避免了這個問題。
在實施過程中的ExchangeManager不僅負(fù)責(zé)了Embedding參數(shù)和梯度的交換，還承擔(dān)了元數(shù)據(jù)復(fù)用管理的職責(zé)。例如Unique等算子的結(jié)果保存，進一步降低了重復(fù)計算。

另外，在API設(shè)計上，我們做到了對用戶透明，僅需一行代碼即可開啟Embedding流水線功能，對用戶隱藏了EG/MG的切割過程。目前，在美團某業(yè)務(wù)訓(xùn)練中，Embedding流水線功能在CPU PS架構(gòu)下可以帶來20%~60%的性能提升（而且Worker并發(fā)規(guī)模越大，性能越好）。

3.5 單實例PS并發(fā)優(yōu)化

經(jīng)過2.2章節(jié)的分析可知，我們不能通過持續(xù)擴PS來提升分布式任務(wù)的吞吐，單實例PS的并發(fā)優(yōu)化，也是非常重要的優(yōu)化方向。我們主要的優(yōu)化工作如下。

3.5.1 高性能的HashTable

PS架構(gòu)下，大規(guī)模稀疏模型訓(xùn)練對于HashTable的并發(fā)讀寫要求很高，因為每個PS都要承擔(dān)成百乃至上千個Worker的Embedding壓力，這里我們綜合速度和穩(wěn)定性考慮，選用了tbb::concurrent_hash_map[10]作為底層HashTable表實現(xiàn)，并將其包裝成一個新的TBBConcurrentHashTable算子。經(jīng)過測試，在千億規(guī)模下TBBConcurrentHashTable比原生MutableDenseHashTable訓(xùn)練速度上快了3倍。

3.5.2 HashTable BucketPool

對于大規(guī)模稀疏模型訓(xùn)練來說，Embedding HashTable會面對大量的并發(fā)操作，通過Profiling我們發(fā)現(xiàn)，頻繁動態(tài)的內(nèi)存申請會帶來了較大性能開銷（即使TensorFlow的Tensor有專門的內(nèi)存分配器）。我們基于內(nèi)存池化的思路優(yōu)化了HashTable的內(nèi)存管理。我們在HashTable初始化時，會先為Key和Value分別創(chuàng)造兩個BucketPool，每個池子都會先Malloc較大一塊內(nèi)存?zhèn)溆?，考慮到可能會有對HashTable進行中的Key和Value進行Remove的場景（如Online Learning訓(xùn)練時），需要對從HashTable中刪除的Key和Value所使用的內(nèi)存進行回收，因此每個BucketPool還有一個ReuseQueue來負(fù)責(zé)維護回收的內(nèi)存。每次向內(nèi)部的哈希表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中Insert Key和Value的時候，Key和Value內(nèi)存和釋放分配都進行池化管理。用這種方式降低了大規(guī)模稀疏訓(xùn)練中遇到稀疏內(nèi)存分配開銷，整體端到端訓(xùn)練性能提升了5%左右。

圖17 HashTable內(nèi)存優(yōu)化

3.6 單位算力吞吐優(yōu)化

經(jīng)過2.2章節(jié)的分析，Worker的計算壓力也非常大，如果不優(yōu)化Worker，同時要保持吞吐，需要橫向擴展更多的Worker，給PS帶來更大的壓力。而對于用戶來說，如果能在有限的計算資源下帶來性能提升，對業(yè)務(wù)價值更高。我們通過CAT統(tǒng)計出了一些高頻算子，并進行了專項優(yōu)化。這里選取Unique&DynamicPartition算子融合案例進行分享。在TensorFlow PS架構(gòu)中，包括Embedding向量在內(nèi)的共享參數(shù)都存儲在PS上，并通過網(wǎng)絡(luò)與Worker交互，在進行Embedding查詢過程中，往往會涉及如下兩個環(huán)節(jié)：

由于稀疏參數(shù)的性質(zhì)，從樣本中抽取得到的待查詢Embedding ID，它的重復(fù)率往往高達(dá)70%~90%，如果不進行去重查詢，不論是對HashTable的查詢還是網(wǎng)絡(luò)的傳輸，都會帶來不小的壓力。因此，通常會在查詢前進行Unique操作。
在大規(guī)模稀疏場景中，為了存儲千億規(guī)模的參數(shù)，會有多個PS機器共同承載。而Worker端會負(fù)責(zé)對查詢請求按照設(shè)定的路由規(guī)則進行切分，這里通常會在查詢前進行DynamicPartition動作。

通常這兩個過程會利用TensorFlow既有的算子進行搭建，但在實際使用中，我們發(fā)現(xiàn)它并不是很高效，主要問題在于：

Unique算子原生實現(xiàn)，它內(nèi)部使用的內(nèi)存分配策略較為低效。使用了兩倍輸入?yún)?shù)（Embedding ID）的大小進行內(nèi)存分配，但由于輸入?yún)?shù)較大，而且重復(fù)率高，導(dǎo)致HashTable創(chuàng)建過大且非常稀疏。幾乎每次插入都會產(chǎn)生一次minor_page_fault，導(dǎo)致HashTable性能下降。我們使用Intel Vtune驗證了這一點（參見圖18）。
Unique和Dynamic Partition算子存在冗余數(shù)據(jù)遍歷，這些操作其實可以在一次數(shù)據(jù)遍歷中全部做完，節(jié)省掉算子切換、冗余數(shù)據(jù)遍歷的耗時。

圖18 Unique算子內(nèi)部出現(xiàn)DRAM Bound問題總結(jié)來說，HashTable開辟過大會導(dǎo)致大量的minor_page_fault，導(dǎo)致訪存的時間增加，HashTable過小又可能會導(dǎo)致擴容。我們采用了基于啟發(fā)式算法的內(nèi)存自適應(yīng)Unique算子實現(xiàn)，通過對訓(xùn)練歷史重復(fù)率的統(tǒng)計，我們可以得到一個相對合理的HashTable大小，來提高訪存的性能；另外Unique算子內(nèi)HashTable的具體選擇上，經(jīng)過我們的多種測試，選擇了Robin HashTable替換了原生TF中的實現(xiàn)。進一步，我們對圍繞Embedding ID的Unique和Partition環(huán)節(jié)進行了算子合并，簡化了邏輯實現(xiàn)。經(jīng)過上述的優(yōu)化，Unique單算子可以取得51%的加速，在真實模型端到端上可以獲得10%左右的性能提升，算子總數(shù)量降低了4%。在整個關(guān)鍵算子優(yōu)化的過程中，Intel公司的林立凡、張向澤、高明進行大量的技術(shù)支持，我們也復(fù)用了他們的部分優(yōu)化工作，在此深表感謝！

4 大規(guī)模稀疏算法建模

大規(guī)模稀疏能力在業(yè)務(wù)落地的過程中，算法層面還需要從特征和模型結(jié)構(gòu)上進行對應(yīng)升級，才能拿到非常好的效果。其中外賣廣告從業(yè)務(wù)特點出發(fā)，引入大規(guī)模稀疏特征完成外賣場景下特征體系的升級，提供了更高維的特征空間和參數(shù)空間，增強了模型的擬合能力。重新設(shè)計了面向高維稀疏場景的特征編碼方案，解決了特征編碼過程中的特征沖突問題，同時編碼過程去掉了部分冗余的特征哈希操作，一定程度上簡化了特征處理邏輯，并降低了特征計算的耗時。在系統(tǒng)層面，面對百億參數(shù)、百億樣本以上量級的大規(guī)模稀疏模型的訓(xùn)練，會帶來訓(xùn)練迭代效率的大大降低，單次實驗從一天以內(nèi)，增長到一周左右。美團機器學(xué)習(xí)平臺訓(xùn)練引擎團隊，除了上述TensorFlow框架層面的優(yōu)化、還針對業(yè)務(wù)模型進行了專項優(yōu)化，整體吞吐優(yōu)化了8到10倍（如果投入更多計算資源，可以進一步加速），大大提升業(yè)務(wù)的迭代效率，助力外賣廣告業(yè)務(wù)取得了較為明顯的提升。

5 總結(jié)與展望

TensorFlow在大規(guī)模推薦系統(tǒng)中被廣泛使用，但由于缺乏大規(guī)模稀疏的大規(guī)模分布式訓(xùn)練能力，阻礙了業(yè)務(wù)的發(fā)展。美團基于TensorFlow原生架構(gòu)，支持了大規(guī)模稀疏能力，并從多個角度進行了深度優(yōu)化，做到千億參數(shù)、千億樣本高效的分布式訓(xùn)練，并在美團內(nèi)部進行了大規(guī)模的使用。對于這類關(guān)鍵能力的缺失，TensorFlow社區(qū)也引起了共鳴，社區(qū)官方在2020年創(chuàng)建了SIG Recommenders[11]，通過社區(qū)共建的方式來解決此類問題，美團后續(xù)也會積極的參與到社區(qū)的貢獻當(dāng)中去。美團推薦系統(tǒng)場景的模型訓(xùn)練，目前主要運行在CPU上，但隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，有些模型變得越來越復(fù)雜，CPU上已經(jīng)很難有優(yōu)化空間（優(yōu)化后的Worker CPU使用率在90%以上）。而近幾年，GPU的計算能力突飛猛進，新一代的NVIDIA A100 GPU，算力達(dá)到了156TFLOPS（TF32 Tensor Cores）、80G顯存、卡間帶寬600GB/s。對于這類復(fù)雜模型的Workload，我們基于A100 GPU架構(gòu)，設(shè)計了下一代的分布式訓(xùn)練架構(gòu)，經(jīng)過初步優(yōu)化，在美團某大流量業(yè)務(wù)推薦模型上也拿到了較好的效果，目前還在進一步優(yōu)化當(dāng)中，后續(xù)我們會進行分享，敬請期待。

6 作者簡介

逸帆、家恒、崢少、鵬鵬、永宇、正陽、黃軍等，來自美團基礎(chǔ)研發(fā)平臺，機器學(xué)習(xí)平臺訓(xùn)練引擎組，主要負(fù)責(zé)美團分布式機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練系統(tǒng)的性能優(yōu)化與能力建設(shè)。

海濤，來自美團外賣廣告策略團隊，主要負(fù)責(zé)美團外賣廣告業(yè)務(wù)的算法探索和策略落地工作。

網(wǎng)站標(biāo)題：TensorFlow在推薦系統(tǒng)中的分布式訓(xùn)練優(yōu)化實踐
文章來源：http://www.fisionsoft.com.cn/article/cocgoid.html