百度搜索智能化算力調(diào)控分配技術(shù)分析

作者 |泰來

隨著近年深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，搜索算法復(fù)雜度不斷上升，算力供給需求出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長。伴隨著AI技術(shù)逐步走到深水區(qū)，算法紅利在逐步消失，邊際效應(yīng)日益顯著，算力效能的提升尤為重要，同時(shí)隨著宏觀經(jīng)濟(jì)影響，大規(guī)模的算力需求供給也遭遇到了瓶頸。同時(shí)隨著流量、時(shí)間或系統(tǒng)故障時(shí)帶來的容量變化，總算力約束也在時(shí)刻改變，周期性的出現(xiàn)波峰、波谷，以及會(huì)因?yàn)榱髁客辉觥?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)等原因?qū)е孪到y(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。 在此背景下，需要一種更加智能化、個(gè)性化的算力調(diào)控分配方法，不斷提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性，使得在給定資源上限的情況下，最大化資源投入的性價(jià)，同時(shí)在故障時(shí)刻發(fā)生時(shí)自適應(yīng)的調(diào)整算力分配，降低系統(tǒng)負(fù)載。

01

問題與挑戰(zhàn)

互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)十余年的蓬勃發(fā)展及硬件性能的持續(xù)攀升，使得 Ranking相關(guān)算法進(jìn)入到了深度學(xué)習(xí)時(shí)代，模型、技術(shù)創(chuàng)新層出不窮。但隨著技術(shù)逐步進(jìn)入到深水區(qū)，在同樣的算力需求下對(duì)效果的增長邊際已經(jīng)非常明顯。

同時(shí)伴隨當(dāng)前宏觀經(jīng)濟(jì)影響，大規(guī)模算力的需求供給也持續(xù)遭遇瓶頸，如何在有限的算力資源內(nèi)不斷創(chuàng)造出更大的效果價(jià)值是一項(xiàng)非常有挑戰(zhàn)性的工作。

為此我們不斷探索根據(jù)流量價(jià)值及系統(tǒng)狀態(tài)自適應(yīng)的進(jìn)行算力分配，使得總體投入產(chǎn)出比不斷提升。

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02

整體思路

目前搜索系統(tǒng)流轉(zhuǎn)過程中調(diào)控手段彼此相互之間是獨(dú)立的，調(diào)控的算子的輸入輸出沒有全局視角，調(diào)控算子彼此割裂、聯(lián)動(dòng)和管理是比較困難的，且調(diào)控手段大多基于靜態(tài)閾值配置。但我們認(rèn)為系統(tǒng)中請(qǐng)求經(jīng)過每層的調(diào)控算子是有狀態(tài)的，理想的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中每種調(diào)控算子應(yīng)該是全局可見的，需要從全局的視角更好的審視業(yè)務(wù)系統(tǒng)，站在更高的維度去看算力調(diào)控分配這項(xiàng)工作。

我們?cè)谖⒂^和宏觀兩方案開展了相關(guān)調(diào)控工作：

1.微觀：忽略系統(tǒng)容量狀態(tài)，在當(dāng)前時(shí)刻下根據(jù)流量產(chǎn)生的價(jià)值來動(dòng)態(tài)的分配算力，使得在給定算力總約束下獲得全局最優(yōu)。

2.宏觀：隨著流量、時(shí)間或系統(tǒng)故障時(shí)帶來的容量變化，總算力約束在不斷改變，需要在給定的資源及響應(yīng)時(shí)間限制下，計(jì)算出在當(dāng)前限制條件下的最優(yōu)分配方式。動(dòng)態(tài)的調(diào)整系統(tǒng)核心階段的計(jì)算強(qiáng)度，合理調(diào)控峰值算力。并基于搜索系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋，自動(dòng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全狀態(tài)。使搜索系統(tǒng)能夠在速度、資源、效果、穩(wěn)定性等多個(gè)維度上進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)控。

2.1問題建模

變量說明：

第i條流量。

流量i在階段j的具體信息，例如隊(duì)列長度，模型選型等，可以用表示，其中的alpha beta gamma都可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定并用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

流量在第j階段的折扣因子。

第i條流量的價(jià)值

。

目標(biāo)：通過調(diào)控流量在各個(gè)階段的信息例如隊(duì)列長度、模型選型等，從而調(diào)節(jié)折扣因子，最終實(shí)現(xiàn)流量價(jià)值最大化，假設(shè)M條流量經(jīng)過N個(gè)階段表達(dá)如下：

C1 成本約束，對(duì)于任意一個(gè)階段，都必須小于等于其成本；

C2 時(shí)間約束，對(duì)于任意一個(gè)請(qǐng)求流量，在N個(gè)階段的耗時(shí)綜合都必須小于等于規(guī)定的耗時(shí)；

C3 輔助約束，對(duì)于任意一個(gè)請(qǐng)求任意一個(gè)階段都必須有大于等于0的值。

對(duì)于一個(gè)實(shí)時(shí)的搜索系統(tǒng)來說，在線進(jìn)行上述的優(yōu)化并不太實(shí)際也會(huì)帶來比較多的困難。為了簡化分析和提高系統(tǒng)的魯棒性，我們將上述N個(gè)階段拆封成N個(gè)子問題，這樣方便對(duì)各個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)控和可靠的干預(yù)，提高系統(tǒng)的魯棒性，例如當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)巨大的變化時(shí)，可以隨時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整各個(gè)階段的參數(shù)。簡化問題求解，將C1、C2約束進(jìn)行一定的拆分。

具體來說，對(duì)于階段j，流量的價(jià)值最大化，我們可以看作是上述的一個(gè)子問題。

假設(shè)是單調(diào)遞增的，但其對(duì)的導(dǎo)數(shù)是單調(diào)遞減的，也就是其價(jià)值會(huì)隨著配置資源的增加而越來越緩慢的增加。

2.2 示例說明

示例：用相關(guān)性精排階段的彈性候選集進(jìn)行舉例

假設(shè)將流量i細(xì)化成第i條Query，j階段則為具體篩選階段，增加一個(gè)維度k表示URL級(jí)別的參數(shù)和特征信息。在正排候選集篩選階段k信息表示為多個(gè)特征的分?jǐn)?shù)信息，authority_feature【權(quán)威性特征】、click_feature【點(diǎn)擊特征】...correlation_feature【相關(guān)性特征】。

則在正排候選集篩選階段請(qǐng)求i的第k條url的信息可以表示為：

流量i在彈性候選集下的折扣因子，可以看作是 1 - 刪掉URL數(shù)量在原本可出現(xiàn)在最終排序的Top40的概率，假如候選集合中完全沒有刪除的URL則無折扣損失，若是候選集合中刪除了URL，但對(duì)最終Top40的召回?zé)o影響，也可以看作是對(duì)總價(jià)值無折扣影響。

具體來說，針對(duì)第i條query的k條url的具體信息，我們采用多個(gè)維度的特征進(jìn)行考量。

其中

如果是0表示丟棄，1表示留下第k條url，希臘字母表示的是采取的閾值標(biāo)準(zhǔn)，例如評(píng)分位于后x%。如果一個(gè)url的所有特征貢獻(xiàn)度排名都處于分布的末尾，則會(huì)將該url從候選集中剔除。

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03

關(guān)鍵技術(shù)

過去傳統(tǒng)的調(diào)控方式下，既不知道上游階段做過哪些調(diào)控動(dòng)作，也不知道在自己的階段上做的調(diào)控動(dòng)作，下游是如何反饋的，只能追求自己的局部最優(yōu)。而我們認(rèn)為在搜索這種分層的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)下，越往下流轉(zhuǎn)看到的特征和信號(hào)越多，調(diào)控動(dòng)作應(yīng)該隨著流轉(zhuǎn)過程發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)變，不應(yīng)該是靜態(tài)的。我們創(chuàng)新的采用彈性級(jí)聯(lián)調(diào)控框架將調(diào)控手段進(jìn)行組合，追求全局的最優(yōu)解，從全鏈路上提升算力投入產(chǎn)出的性價(jià)比。

具體做法，我們構(gòu)建的彈性級(jí)聯(lián)框架包含四個(gè)部分：

1、調(diào)控算子集合，將調(diào)控動(dòng)作按照Query級(jí)別、URL級(jí)別、Feature級(jí)別進(jìn)行劃分，調(diào)控算子擁有相同基類，接口規(guī)范統(tǒng)一；

2、計(jì)算中心，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)計(jì)算各種調(diào)控動(dòng)作所需的各類信號(hào)、以及流量價(jià)值的判斷、容量信號(hào)的獲取等；

3、參數(shù)集合，經(jīng)過計(jì)算中心產(chǎn)出的特征和信號(hào)，固化超參數(shù)，使得模塊內(nèi)超參數(shù)全局可見，跨模塊之間按照規(guī)定協(xié)議統(tǒng)一進(jìn)行交互；

4、調(diào)控決策器，主要負(fù)責(zé)根據(jù)參數(shù)集合，確定各個(gè)階段的調(diào)控檔位設(shè)置并調(diào)用算子集合里的算子進(jìn)行執(zhí)行，每個(gè)調(diào)控階段包含控制流（Control Level）和反饋流（FeedbackLevel），控制流能結(jié)合當(dāng)前階段看到的特征和信號(hào)給出它下游其他階段的調(diào)控檔位，反饋流是當(dāng)前階段參考其他階段給出的調(diào)控檔位建議和當(dāng)前階段看到的特征和信號(hào)確定實(shí)際執(zhí)行的調(diào)控檔位。通過這種方式，每個(gè)調(diào)控階段既能看到到其他階段實(shí)際執(zhí)行的調(diào)控狀態(tài)，同時(shí)也能根據(jù)它們對(duì)當(dāng)前階段的指導(dǎo)建議進(jìn)行綜合判斷，最終在全鏈路上獲取全局最優(yōu)解。

如上圖左側(cè)可以看到整個(gè)彈性級(jí)聯(lián)框架的組成部分，右側(cè)是舉例正排階段的彈性候選集的實(shí)際計(jì)算過程，將各種維度的特征通過計(jì)算中心生成價(jià)值參數(shù)，用于調(diào)控決策器進(jìn)行決策，然后給出實(shí)際的正排計(jì)算集合。我們不僅建立控制反饋流級(jí)聯(lián)自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)，而且還提供了一個(gè)全局視角的彈性算力分配控制中心。彈性算力系統(tǒng)主要通過對(duì)集群各種維度指標(biāo)的獲取、策略分析及周期性執(zhí)行最適合當(dāng)前機(jī)器負(fù)載狀態(tài)的策略組合參數(shù)來實(shí)現(xiàn)其核心彈性算力分配決策。

根據(jù)當(dāng)前搜索系統(tǒng)，當(dāng)前智能彈性調(diào)參把系統(tǒng)定義和描述為下面4種狀態(tài)：系統(tǒng)異常狀態(tài)，負(fù)載峰值狀態(tài)，彈性過渡狀態(tài)，負(fù)載低谷狀態(tài)，根據(jù)不同的系統(tǒng)狀態(tài)，執(zhí)行當(dāng)前狀態(tài)的策略集合，從而使資源使用率及業(yè)務(wù)收益效果最優(yōu)。具體方案見下圖：

主要包含流程如下：

信息采集：自動(dòng)化的周期性采集業(yè)務(wù)日志（流量pv，流量分類，流量質(zhì)量）和機(jī)器狀態(tài)（CPU/MEM使用率）等信息。對(duì)于這些信息進(jìn)行深入挖掘分析，主要從以下幾個(gè)時(shí)間維度進(jìn)行采集：

1、峰值時(shí)間段模塊狀態(tài)信號(hào)；

2、前n個(gè)采集周期模塊狀態(tài)信號(hào)；

3、前一天同時(shí)刻前n個(gè)采集周期模塊狀態(tài)信號(hào)；

4、前一周同時(shí)刻前n個(gè)采集周期模塊狀態(tài)信號(hào)。

系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)估:對(duì)各種維度信息采集，之后通過人工規(guī)則，在線策略，離線預(yù)估等手段評(píng)估系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，把目前系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)異常狀態(tài)，系統(tǒng)負(fù)載峰值狀態(tài)，系統(tǒng)負(fù)載低谷狀態(tài)，系統(tǒng)負(fù)載過渡狀態(tài)。下面是系統(tǒng)狀態(tài)定義規(guī)則，及狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖：

系統(tǒng)異常狀態(tài)：系統(tǒng)發(fā)生故障，例如系統(tǒng)可用性SLA，CPU負(fù)載率，結(jié)果空值率等不符合預(yù)期。

系統(tǒng)負(fù)載峰值狀態(tài)：系統(tǒng)請(qǐng)求數(shù)，CPU負(fù)載率等系統(tǒng)容量指標(biāo)大于指定閾值。

系統(tǒng)負(fù)載低谷狀態(tài)：系統(tǒng)請(qǐng)求數(shù)，CPU負(fù)載率等系統(tǒng)容量指標(biāo)小于指定閾值。

系統(tǒng)負(fù)載過渡狀態(tài)：負(fù)載峰值和低谷之間的過渡狀態(tài)。

檔位判斷：根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)抽象成便于系統(tǒng)決策的系統(tǒng)檔位，及每個(gè)檔位內(nèi)需要關(guān)注的系統(tǒng)問題。

1、異常檔位：如何快速服務(wù)降級(jí)，保證保證系統(tǒng)質(zhì)量。

2、峰值檔位：需要關(guān)注系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間，以確保系統(tǒng)在高負(fù)載下依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

3、低谷檔位：可以考慮優(yōu)化系統(tǒng)資源的分配，提升資源的投入產(chǎn)出比。在探測(cè)到系統(tǒng)出現(xiàn)異常故障狀態(tài)時(shí)。

4、過渡檔位：一種中間狀態(tài)，它的主要作用是在系統(tǒng)從低負(fù)載狀態(tài)過渡到高負(fù)載狀態(tài)，或從高負(fù)載狀態(tài)過渡到低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，提供一個(gè)緩沖階段，以避免系統(tǒng)狀態(tài)的突然跳變。過渡檔位不進(jìn)行策略的調(diào)整，而是保持系統(tǒng)在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。這樣做的目的是為了避免頻繁的策略調(diào)整帶來的系統(tǒng)震動(dòng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

方案決策執(zhí)行：

降級(jí)檔位主要應(yīng)對(duì)系統(tǒng)異?；蛑卮箫L(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)應(yīng)的策略包括關(guān)閉被動(dòng)觸發(fā)流量，以及降低召回集合，降低復(fù)雜模型計(jì)算等策，通過這種方式降低系統(tǒng)的負(fù)載，保證核心業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。低谷檔位對(duì)應(yīng)的是彈性策略集，這些策略主要目的是在低谷期加強(qiáng)復(fù)雜策略的計(jì)算，提升搜索效果。而在峰值檔位，我們主要采用削峰策略，包括減少被動(dòng)觸發(fā)流量，以確保系統(tǒng)在高負(fù)載下依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

示例：視頻搜索彈性擴(kuò)觸發(fā)：

在系統(tǒng)資源容量低谷階段，根據(jù)指標(biāo)采集數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)容量資源冗余情況，基于冗余資源進(jìn)行擴(kuò)觸發(fā)比例計(jì)算，通過彈性算力決策模塊下發(fā)觸發(fā)信號(hào)，利用閑時(shí)資源擴(kuò)大流量的觸發(fā)面。

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04

總結(jié)與展望

通過基于彈性級(jí)聯(lián)框架的調(diào)控方式，提升了分層系統(tǒng)的效益比，對(duì)于每個(gè)用戶請(qǐng)求實(shí)施精細(xì)化、差異化的調(diào)控組合，在算力效能提升上取得了不錯(cuò)的成績。

算力分配是架構(gòu)研究的核心問題之一，未來會(huì)在以下兩個(gè)方面持續(xù)開展系統(tǒng)性工作：

1、結(jié)合AI大模型的推理能力在調(diào)控組合上可以做到更加精細(xì)化，在算力效能的提升上會(huì)帶來更大的挖掘空間； 2、通過自適應(yīng)的宏觀調(diào)控給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來了柔性降級(jí)能力，后續(xù)會(huì)在這個(gè)方向上持續(xù)深耕，不斷提升系統(tǒng)自動(dòng)化的處置能力。

編輯：黃飛