基于Transformer做大模型預訓練基本的并行范式

在之前的內(nèi)容中，我們已經(jīng)介紹過流水線并行、數(shù)據(jù)并行（DP，DDP和ZeRO）。今天我們將要介紹最重要，也是目前基于Transformer做大模型預訓練最基本的并行范式：來自NVIDIA的張量模型并行(TP)。它的基本思想就是把模型的參數(shù)縱向切開，放到不同的GPU上進行獨立計算，然后再做聚合。

在寫這篇文章的過程中，我發(fā)現(xiàn)要理解Megatron的大框架不難，但是涉及到細節(jié)，特別是混合并行部分，要考慮的就很多了。所以我去看了Megatron的源碼，在此基礎上配合圖例寫了這篇文章，其中的很多設計思想和細節(jié)就來自對源碼的閱讀。既然看都看了，因此我決定在大模型系列的下一章里，和大家一起閱讀Megatron的源碼，畢竟手動并行不像調(diào)API那樣簡單，需要根據(jù)實際模型設計并行框架，并知道在哪里打日志，做checkpoint。

如果對Transformer的設計不了解也沒關系，在這篇文章里都會給出圖解介紹，不過還是建議大家在閱讀前可先看以下文章：

Transformer學習筆記二：self-attention

圖解大模型系列之：數(shù)據(jù)并行上篇（DP與DDP），這篇中對AllReduce通信有詳細講解。

全文結(jié)構(gòu)如下：
一、切分權(quán)重的兩種方法
二、MLP層
三、self-attention層
四、Embedding層
五、Cross-entropy層
六、經(jīng)典并行：TP + DP (Megatron + ZeRO)
七、實驗效果與GPU利用率
八、參考

最后，Megatron，變形金剛反派隊伍霸天虎首領，現(xiàn)任環(huán)球影城脫口秀演員（啊不是），沒有它就沒有凸顯不出擎天柱們的戰(zhàn)績，沒有它就沒有變形金剛電影，我曾經(jīng)的暑假快樂就要少很多。而現(xiàn)在沒有它就沒有大Transformer的誕生。所以，引燃人類AGI的熱情，可以被當作Megatron的陰謀拍進下一部電影里么？

一、切分權(quán)重

設輸入數(shù)據(jù)為X，參數(shù)為W。X的維度 = (b, s, h)，W的維度 = (h, h')。其中：

b：batch_size，表示批量大小

s：sequence_length，表示輸入序列的長度

h：hidden_size，表示每個token向量的維度。

h'：參數(shù)W的hidden_size。

則每次forward的過程如下：

為畫圖方便，圖中所繪是b=1時的情況。假設現(xiàn)在W太大，導致單卡裝不下。我們需要把W切開放到不同的卡上，則我們面臨三個主要問題：

怎么切分W。

切完W后，怎么做forward。

做完forward后，怎么做backward，進而求出梯度，更新權(quán)重。一般來說，我們可以沿著W的行（h維度），或者列（h'維度）切分W。下面我們分別介紹這兩種切割辦法，并說明它們是如何做forward和backward的。

1.1 按行切分權(quán)重

(1) forward

我們用N來表示GPU的數(shù)量。有幾塊GPU，就把W按行維度切成幾份。下圖展示了N=2時的切割方式：

W按照行維度切開后，X的維度和它不對齊了，這可怎么做矩陣乘法呢？很簡單，再把X“按列切開”就行了，如下圖所示：

(2) backward

做完forward，取得預測值Y，進而可計算出損失L，接下來就能做backward了。我們重畫一下forward的過程，并在其中加入backward的部分，整體流程圖如下：

f 和 g：分別表示兩個算子，每個算子都包含一組forward + backward操作。forward操作已講過，不再贅述。

圖中的每一行，表示單獨在一塊GPU上計算的過程

g 的backward：假定現(xiàn)在我們要對求梯度，則可推出，也就是說，只要把同時廣播到兩塊GPU上，兩塊GPU就可以獨立計算各自權(quán)重的梯度了。

f 的backward：在上圖中，我們只畫了模型其中一層的計算過程。當模型存在多層時，梯度要從上一層向下一層傳播。比如圖中，梯度要先傳播到X，然后才能往下一層繼續(xù)傳遞。這就是f 的backward的作用。這里也易推出，

1.2 按列切分權(quán)重

（1）forward

按列切分權(quán)重后，forward計算圖如下：

（2）backward

g的backward：易推出

f 的backward：因為對于損失L，X既參與了XW1的計算，也參與了XW2的計算。因此有。其中表示第i塊GPU上計算到X時的梯度。

現(xiàn)在，我們已分別介紹完了“按行”和“按列”切分權(quán)重的方法。在Megatron-LM中，權(quán)重的切分操作就是由這兩個基礎算子組合而成的。接下來，針對Transformer模型，我們依次來看在不同的部分里，Megatron-LM是怎么做切分的。

二、MLP層

2.1 MLP層的張量模型并行計算方法

MLP層構(gòu)造最簡單，所以我們先來看它。MLP層計算過程如下圖：

其中，GELU是激活函數(shù)，A和B分別為兩個線性層。在Transformer里，一般設h' = 4h。假設現(xiàn)在有N塊GPU，我們要把MLP層的權(quán)重拆到上面做計算，要怎么拆分呢？Megatron提供的拆分辦法如下：

在MLP層中，對A采用“列切割”，對B采用“行切割”。

f的forward計算：把輸入X拷貝到兩塊GPU上，每塊GPU即可獨立做forward計算。

g的forward計算：每塊GPU上的forward的計算完畢，取得Z1和Z2后，GPU間做一次AllReduce，相加結(jié)果產(chǎn)生Z。

g的backward計算：只需要把拷貝到兩塊GPU上，兩塊GPU就能各自獨立做梯度計算。

f的backward計算：當當前層的梯度計算完畢，需要傳遞到下一層繼續(xù)做梯度計算時，我們需要求得。則此時兩塊GPU做一次AllReduce，把各自的梯度和相加即可。

為什么我們對A采用列切割，對B采用行切割呢？這樣設計的原因是，我們盡量保證各GPU上的計算相互獨立，減少通訊量。對A來說，需要做一次GELU的計算，而GELU函數(shù)是非線形的，它的性質(zhì)如下：

也就意味著，如果對A采用行切割，我們必須在做GELU前，做一次AllReduce，這樣就會產(chǎn)生額外通訊量。但是如果對A采用列切割，那每塊GPU就可以繼續(xù)獨立計算了。一旦確認好A做列切割，那么也就相應定好B需要做行切割了。

2.2 MLP層的通訊量分析

由2.1的分析可知，MLP層做forward時產(chǎn)生一次AllReduce，做backward時產(chǎn)生一次AllReduce。在之前的文章里我們講過，AllReduce的過程分為兩個階段，Reduce-Scatter和All-Gather，每個階段的通訊量都相等?，F(xiàn)在我們設每個階段的通訊量為，則一次AllReduce產(chǎn)生的通訊量為。MLP層的總通訊量為。

根據(jù)上面的計算圖，我們也易知，

三、Self-Attention層

現(xiàn)在，我們來看稍微復雜一點的self-attention層切割方式（Transformer中Encode和Decoder之間還有做cross-attention，但計算邏輯和self-attention一致，因此這里只拿self-attention舉例）。

首先，我們快速過一下multi-head attention層的參數(shù)構(gòu)造。對Transformer Attention不熟悉的讀者，可以參見之前寫的這篇文章，其中有詳細的圖解。

3.1Multihead-Attention的計算方法

當head數(shù)量為1時，self-attention層的計算方法如下：

seq_len，d_model分別為本文維度說明中的s和h，也即序列長度和每個token的向量維度

即attention層需要做訓練的三塊權(quán)重。

k_dim，v_dim滿足：

理清了單頭，我們來看多頭的情況，下圖展示了當num_heads = 2時attention層的計算方法。即對每一塊權(quán)重，我們都沿著列方向（k_dim）維度切割一刀。此時每個head上的的維度都變成(d_model, k_dim//2)。每個head上單獨做矩陣計算，最后將計算結(jié)果concat起來即可。整個流程如下：

可以發(fā)現(xiàn)，attention的多頭計算簡直是為張量模型并行量身定做的，因為每個頭上都可以獨立計算，最后再將結(jié)果concat起來。也就是說，可以把每個頭的參數(shù)放到一塊GPU上。則整個過程可以畫成：

對三個參數(shù)矩陣Q，K，V，按照“列切割”，每個頭放到一塊GPU上，做并行計算。對線性層B，按照“行切割”。切割的方式和MLP層基本一致，其forward與backward原理也一致，這里不再贅述。

最后，在實際應用中，并不一定按照一個head占用一塊GPU來切割權(quán)重，我們也可以一個多個head占用一塊GPU，這依然不會改變單塊GPU上獨立計算的目的。所以實際設計時，我們盡量保證head總數(shù)能被GPU個數(shù)整除。

3.2 Self-Attention層的通訊量分析

類比于MLP層，self-attention層在forward中做一次AllReduce，在backward中做一次AllReduce?？偼ㄓ嵙恳彩牵渲?/p>

寫到這里，我們可以把self-attention層拼接起來看整體的計算邏輯和通訊量：

四、Embedding層

講完了中間的計算層，現(xiàn)在我們來看輸入和輸出層。首先看來自輸入層的Embeddng。

4.1 輸入層Embedding

我們知道Embedding層一般由兩個部分組成：

word embedding：維度(v, h)，其中v表示詞表大小。

positional embedding：維度(max_s, h)，其中max_s表示模型允許的最大序列長度。

對positional embedding來說，max_s本身不會太長，因此每個GPU上都拷貝一份，對顯存的壓力也不會太大。但是對word embedding來說，詞表的大小就很客觀了，因此需要把word embedding拆分到各個GPU上，具體的做法如下：

我們來詳細說明下這張圖。對于輸入X，過word embedding的過程，就是等于用token的序號去word embedding中查找對應詞向量的過程。例如，輸入數(shù)據(jù)為[0, 212, 7, 9]，數(shù)據(jù)中的每一個元素代表詞序號，我們要做的就是去word embedding中的0，212，7，9行去把相應的詞向量找出來。

假設詞表中有300個詞，現(xiàn)在我們將word embedding拆分到兩塊GPU上，第一塊GPU維護詞表[0, 150)，第二塊GPU維護詞表[150, 299)。當輸入X去GPU上查找時，能找到的詞，就正常返回詞向量，找到不到就把詞向量中的全部全素都置0。按此方式查找完畢后，每塊GPU上的數(shù)據(jù)做一次AllReduce，就能得到最終的輸入。

例如例子中，第一塊GPU的查找結(jié)果為[ok, 0, ok, ok]，第二塊為[0, ok, 0, 0]，兩個向量一相加，變?yōu)閇ok, ok, ok, ok]

4.2 輸出層Embedding

輸出層中，同樣有一個word embedding，把輸入再映射回詞表里，得到每一個位置的詞。一般來說，輸入層和輸出層共用一個word embeding。其計算過程如下：

需要注意的是，我們必須時刻保證輸入層和輸出層共用一套word embedding。而在backward的過程中，我們在輸出層時會對word embedding計算一次梯度，在輸入層中還會對word embedding計算一次梯度。在用梯度做word embedding權(quán)重更新時，我們必須保證用兩次梯度的總和進行更新。

當模型的輸入層到輸入層都在一塊GPU上時（即流水線并行深度=1），我們不必擔心這點（實踐中大部分用Megatron做并行的項目也是這么做的）。但若模型輸入層和輸出層在不同的GPU上時，我們就要保證在權(quán)重更新前，兩塊GPU上的word embedding梯度做了一次AllReduce?，F(xiàn)在看得有些迷糊沒關系～在本系列下一篇的源碼解讀里，我們會來分析這一步。

五、Cross-entropy層

終于，我們來到了計算損失函數(shù)的一層?；仡櫼幌?.2中，輸出層過完embedding后的樣子：

正常來說，我們需要對Y1和Y2做一次All-Gather，把它們concat起來形成Y，然后對Y的每一行做softmax，就可得到對于當前位置來說，每個詞出現(xiàn)的概率。接著，再用此概率和真值組做cross-entropy即可。

但是All-Gather會產(chǎn)生額外的通訊量。當詞表v很大時，這個通訊開銷也不容忽視。針對這種情況，可以做如下優(yōu)化：

每塊GPU上，我們可以先按行求和，得到各自GPU上的GPU_sum(e)

將每塊GPU上結(jié)果做AllReduce，得到每行最終的sum(e)，也就softmax中的分母。此時的通訊量為。

在每塊GPU上，即可計算各自維護部分的e/sum(e)，將其與真值做cross-entropy，得到每行的loss，按行加總起來以后得到GPU上scalar Loss。

將GPU上的scalar Loss做AllReduce，得到總Loss。此時通訊量為N。

這樣，我們把原先的通訊量從大大降至。

六、張量模型并行 + 數(shù)據(jù)并行

到這里為止，我們基本把張量模型并行的計算架構(gòu)說完了。在實際應用中，對Transformer類的模型，采用最經(jīng)典方法是張量模型并行 + 數(shù)據(jù)并行，并在數(shù)據(jù)并行中引入ZeRO做顯存優(yōu)化。具體的架構(gòu)如下：

其中，node表示一臺機器，一般我們在同一臺機器的GPU間做張量模型并行。在不同的機器上做數(shù)據(jù)并行。圖中顏色相同的部分，為一個數(shù)據(jù)并行組。憑直覺，我們可以知道這么設計大概率和兩種并行方式的通訊量有關。

具體來說，它與TP和DP模式下每一層的通訊量有關，也與TP和DP的backward計算方式有關。我們分別來看這兩點。

6.1 TP與DP通訊量

首先，我們來分析兩者的通訊量。我們關注Transformer中每一層的通訊情況。

在張量模型并行中，我們設每次通訊量為，從上面分析中我們知道每層做2次AllReduce，其通訊總量為。其中，，則通訊總量為。

在數(shù)據(jù)并行中，設每次通訊量為，從先前的文章中，我們知道每層做1次AllReduce（先不考慮ZeRO拆分權(quán)重的情況），其通訊總量為。其中，通訊的主要是梯度，則，總通訊量為。

因此，我們要比較的就是和。忽略常數(shù)和共同項，我們最終比較的是：

在實際應用中，前者可能會比后者大一些，但量級基本在左右。因此，從通訊量上來說，有差異但不會顯著（主要還是和模型設計相關）。不過按照常理，通訊量大的，盡量放在一臺機器里（機器內(nèi)的帶寬大，通訊時間也會?。Ｍㄓ嵙肯鄬π〉?，可以考慮在不同機器間做并行。

6.2 TP與DP計算backward的方式

回顧上文，我們知道TP在從上一層往下一層做backward的過程中，所有GPU間需要做一次AllReduce的。例如下圖：

而對DP來說，本層算完梯度以后，就正常把本層的梯度發(fā)出去，和屬于一個DP組的GPU做AllReduce，同時繼續(xù)往下一層做backward。下一層也是同理。也就是在DP組中，下一層不依賴上一層的梯度聚合結(jié)果。因此在DP組中對帶寬的要求就沒那么高了。所以可以放到機器間做DP。例如下圖：

七、實驗效果

在講完Megatron整體的設計后，現(xiàn)在我們可以更好來解讀實驗效果了。在原始論文中，采用32臺DGX-2H，每臺里有16張 Telsa V100 SXM3 32GB的GPU，總共512塊GPU。在這個硬件配置上，訓練不同大小的GPT2模型。核心實驗數(shù)據(jù)如下：

每一行表示模型的不同大小，Model parallel列表示只用TP并行時消耗的GPU卡數(shù)，其對應的單卡效率為藍色柱狀圖部分。model + data parallel列表示TP + DP并行時消耗的GPU卡數(shù)，單卡計算效率為綠色柱狀圖部分。

7.1 純TP實驗效果

我們先來看純TP部分。表格中的第一行是整個實驗的基線，它設計了一個可以裝在單卡里的GPT模型。此時不涉及卡間的通信，因此GPU的計算效率為100%。

然后，調(diào)大GPT模型到需要用2卡做TP。此時因為涉及卡間的通信，所以GPU的計算效率略有下降。從藍色柱狀圖可以看出，隨著模型的增大，需要的GPU數(shù)量變多，通訊量增大，單卡的計算效率是在下降的。

從1卡增加到8卡，我們可以發(fā)現(xiàn)需要的GPU數(shù)量和模型大小是成正比的。例如當參數(shù)量從1.2B增加到8.3B，時，需要的GPU數(shù)量也對應增加8倍。

但是，到了8以后呢？在這篇論文里，最大只做到了8卡?？墒且慌_機器明明有16張卡，為啥不能再做到一個16B左右的模型呢?回想上一篇ZeRO部分對顯存消耗的分析，當模型增大時，不僅是參數(shù)變多，還有例如activation這樣的中間結(jié)果，也在占據(jù)大頭顯存。因此需要的GPU數(shù)量漸漸不再和模型大小成正比了。如果不引入顯存優(yōu)化，一臺機器裝不下16B的模型。

7.2 TP + DP實驗效果

再來看TP + DP的結(jié)果。表格的第一行是TP + DP的基線。前面說過第一行的模型大小是可以塞進單卡里的。因此，這行中，是在每臺機器中選2塊GPU，一共選擇64塊GPU，每個GPU上都放置了一個完整的模型，GPU間做純數(shù)據(jù)并行。其單卡計算效率為綠色柱狀圖第1條，96%。

在第二行中，模型大小上升，單卡已裝不下完整模型。因此在每臺機器中，選擇4塊GPU，每2塊GPU組成一個TP組，因此一臺機器上共2個TP組。所有機器上共64個TP組，占據(jù)128卡。這些TP組間做數(shù)據(jù)并行。以此類推模型大小再往上走時的實驗配置。

不難發(fā)現(xiàn)，藍色柱狀圖和綠色柱狀圖是一一對應的關系。分別表示單個模型在1卡、2卡、4卡、8卡上時的單卡效率。在引入數(shù)據(jù)并行的前提下（跨機），綠色的單卡效率并沒有下降很多。這個原因我們在6.2中解釋過：因為DP組內(nèi)做backward計算梯度時，下一層的計算不需要依賴上一層的梯度AllReduce結(jié)果。你算你的，我發(fā)我的，對計算通訊比不會產(chǎn)生太大影響。

最后呢，一臺DGX-2H的售價大概是40w刀，這里的硬件成本就有40 * 32 = 1280w刀。要么怎么說Megatron，注定生于NVIDIA家呢？

7.3 GPU效率計算

最后，在實驗這塊，咱們再來說說柱狀圖的weak scaling指標是怎么算出來的。畢竟在論文一開頭，也擺出了一堆指標，乍一看還確實比較迷糊。

首先，在單卡裝下一個模型的情況下，單GPU每秒計算量是39TeraFlOPs（可以近似理解成做矩陣乘法及加法的次數(shù)），不涉及通訊，是基線，因此計算效率為100%。

上到512卡的TP + DP后，512卡上總計每秒計算量為15100TeraFlops，因為涉及到通訊，GPU肯定不是每時每刻都在計算的，那么我們到底利用了多少GPU的算力呢？

假設512卡間無任何通訊影響，則理論算力應該為：39 * 512 = 19968TeraFlops，實際算力為15100TeraFlops。則算力利用比 = 15100/19968 = 76%。這就是文章中貫穿的76%這一指標的由來，它體現(xiàn)了即使做分布式訓練，GPU的計算能力也不會被通信浪費掉太多，這也是Megatron的賣點之一。

關于Megatron的理論介紹，就寫到這里啦！在大模型訓練的下個篇章里，我們將一起讀Megatron的源碼，一起學習經(jīng)典的大模型預訓練方法，順便看看Megatron的第二個賣點：“我們的代碼用起來很簡單！”是不是個事實（狗頭