阿里公開核心技術：如何摘下4項世界冠軍，推理性能比第二名快5倍

文 | 阿里云異構計算團隊
量子位 出品 | 公眾號 QbitAI

近日，斯坦福大學DAWNBench ImageNet最新成績公布，阿里超過Google、Facebook等，摘下四個榜單的世界第一。

128卡V100上，訓練ResNet50，只需要158秒就能獲得top5 93%的精度。

在10000張圖片的驗證集進行圖片分類，top5精度不低于93%，推理性能比第二名快5倍以上。

可以說，不論是訓練的性能和成本，還是推理的性能和成本，都體現(xiàn)出阿里在異構計算領域具有世界級AI軟硬件一體化極致性能優(yōu)化能力。

阿里是如何做到的？四項冠軍得主——阿里云異構計算團隊分享了背后的技術秘密。

這是一個什么樣的成績？

斯坦福的DAWNBench，是一個端到端的深度學習模型訓練和推理性能的基準測試平臺，由斯坦福大學在2017的NIPS會議上發(fā)布，之后得到業(yè)界廣泛支持。

Google、Facebook和VMWARE等世界知名公司先后加入。DAWNBench已成為人工智能領域最具影響力、最權威的排行榜單之一。

對于AI計算而言，最重要的兩個指標是性能和成本。最新的成績公布后，顯示了阿里云在訓練和推理領域軟硬件一體化世界級性能優(yōu)化能力。

阿里云異構計算AI加速團隊透露，最重要的武器是阿里云自研的飛天AI加速引擎AIACC、阿里云自研芯片含光800（簡稱AliNPU）以及阿里云異構計算云服務。

AIACC是阿里云自研的AI加速引擎，是業(yè)界首次統(tǒng)一加速Tensorflow、PyTorch、MxNet、Caffe、Kaldi等AI主流計算框架的加速引擎，其中包括訓練加速引擎AIACC-Training和推理加速引擎AIACC-Inference。

訓練加速引擎針對分布式的網(wǎng)絡做了性能優(yōu)化，能夠充分發(fā)揮分布式網(wǎng)絡的通信能力，推理加速引擎針對阿里云異構計算云服務（包括GPU云服務和NPU云服務）做了針對性深度的性能優(yōu)化，能夠發(fā)揮異構加速設備的計算能力。

以NVidia GPU為例，目前業(yè)界最快的推理引擎是TensorRT，而AIACC-Inference的計算性能比TensorRT還能獲得1.5～2.5倍的性能加速比。

含光800是阿里巴巴第一顆自研AI芯片，也是全球性能最強的AI推理芯片，主要用于云端視覺處理場景，性能打破了現(xiàn)有AI芯片記錄，性能及能效比全球第一。

在業(yè)界標準的ResNet-50測試中，含光800推理性能達到78563 IPS，比目前業(yè)界最好的AI芯片性能高4倍；能效比500 IPS/W，是第二名的3.3倍，而AIACC-Inference也能夠充分揮發(fā)含光800超高的計算能力，這是阿里云軟硬件一體化極致性能優(yōu)化的典范。

阿里云異構計算云服務將GPU、FPGA、NPU等異構計算設備整合，通過云計算服務的方式對客戶提供異構計算服務。

隨著人工智能浪潮的興起，越來越多的AI計算都采用異構計算來實現(xiàn)性能加速，而阿里云異構計算服務，構建于云上最豐富的加速實例基礎之上，通過AIACC的算力提升，為AI計算提供普惠、彈性和觸手可得的加速計算云服務。

刷新ImageNet上ResNet50的訓練記錄

在圖像識別領域，最具代表性的場景是ResNet50在ImageNet上的訓練。

最新公布的榜單上，AIACC-Training成為此場景下的性能與成本的世界雙項第一，展示了在分布式訓練領域AIACC處于國際領先水平，能夠幫助用戶提升訓練性能的同時降低所需的計算成本。

訓練性能榜單新的世界紀錄，運行在128張V100（16臺異構計算云服務實例ecs.gn6e-c12g1.24xlarge）的集群之上，網(wǎng)絡通信為32G VPC，訓練ResNet50 至top5精度達到93%時間為2分38秒。

此前的世界紀錄所采用的集群規(guī)模也是128張V100，網(wǎng)絡通信則為100G InfiniBand網(wǎng)絡，是本次打破世界紀錄的32G VPC的3倍的帶寬。異構計算云服務的典型網(wǎng)絡配置為32Gbps帶寬的VPC網(wǎng)絡，為了更貼近最終用戶的場景，阿里選擇的是VPC網(wǎng)絡。

32G VPC網(wǎng)絡與前世界紀錄的網(wǎng)絡物理帶寬上的巨大差距是團隊面臨的重大挑戰(zhàn)，我們從兩個大的方向作了深入的優(yōu)化：

第一個方向是從模型本身的優(yōu)化上，進行超參的調整以及optimizer的改進，減少達到93%精度情況下所需要進行的迭代數(shù)，同時也要盡力提升單機的性能。

第二個方向是分布式性能優(yōu)化，我們采用團隊自研的飛天AI加速引擎AIACC-Training（原Ali-Perseus-Training）作為分布式的通信庫，充分挖掘32G VPC的所有潛力。

最終兩個方向的極致優(yōu)化相疊加，超越了一個看似不可能達到的性能屏障，以較低的網(wǎng)絡帶寬，創(chuàng)造了新的世界紀錄。

同時，因為分布式訓練部署本身的復雜性，為了提高效率，也為了方便外部用戶重現(xiàn)結果，阿里團隊使用了之前開發(fā)的即刻構建的工具FastGPU，將集群的創(chuàng)建和分布式訓練的調度全部以腳本的方式完成，可以一鍵啟動，大大加快了優(yōu)化工作的效率。

未來，我們會開源基于AIACC的benchmark代碼，方便外部用戶一鍵復現(xiàn)結果。

分布式訓練領域近年來發(fā)展迅猛，有多種可供選擇的解決方案，對于Tensorflow 而言，框架本身支持PS模式以及Ring allreduce風格的分布式通信，第三方的支持有Horovod。

對于ResNet50的分布式訓練，開源方案中Horovod依然是相對最優(yōu)的解決方案，因此，阿里以Horovod作為對比的baseline。

分布式訓練的邏輯框圖如下圖所示：

最小計算節(jié)點為單張GPU卡，每個計算節(jié)點都會從總的數(shù)據(jù)集中劃分一份數(shù)據(jù)作為本節(jié)點的訓練數(shù)據(jù)，然后開始前向和后向的計算，在后向計算結束后會得到當前batch所產(chǎn)生的梯度。

然后在更新參數(shù)之前，需要在整個集群上進行梯度通信。Horovod API就是在梯度更新之前，在optimizer這個環(huán)節(jié)插入了一段多節(jié)點間的通信的流程。

AIACC-Training

AIACC-Training是阿里云自研的深度學習分布式訓練通信引擎，統(tǒng)一支持Tensorflow、PyTorch、MxNet和Caffe，從IaaS層面提供可被集成且兼容開源的加速庫。

現(xiàn)在已經(jīng)有多家AI和互聯(lián)網(wǎng)客戶在生產(chǎn)環(huán)境中大量部署使用，顯著提升異構計算產(chǎn)品的性價比，從軟件層面為客戶提供差異化的計算服務，架構如下圖所示。

AIACC-Training 作為此次Dawnbench 記錄的分布式后端，發(fā)揮了至關重要的作用。以下是我們對AIACC-Training背后的分布式優(yōu)化作詳細的解析。

去中心化梯度協(xié)商

分布式性能的關鍵就是如何優(yōu)化這個通信環(huán)節(jié)的效率，對于ResNet50而言，我們需要通信的梯度數(shù)據(jù)大約是170個，而通信的總量大約是50MB。

這些梯度的產(chǎn)生時機依賴于它們各自在計算圖中的位置，計算圖中存在依賴關系的部分梯度決定了這一部分梯度被計算出來的時間先后順序。

而在計算圖中處于相互之間完全無依賴的算子的，它們在每次計算發(fā)生的時機具有一定的隨機性。在多節(jié)點間通信要解決的第一個問題就是需要協(xié)商梯度的同步順序。

Horovod中所采用的的方法是以0號節(jié)點為中心，與所有其它節(jié)點進行點對點的通信確定當前所有節(jié)點上都已經(jīng)就緒的梯度，然后再0號節(jié)點上確定這些就緒梯度上如何去通信，最后將通信策略點對點的發(fā)送到每一個其它節(jié)點，之后根據(jù)通信策略開始進行多機通信。

這一點對點的協(xié)商策略，在128節(jié)點下，對0號節(jié)點，造成了一個局部的熱點，需要通信256次。AIACC-Training 放棄了這種中心節(jié)點的協(xié)商模式，轉而采用了去中心化的方式在128個節(jié)點間進行協(xié)商，因為128個節(jié)點實際分布在16臺實例中，我們的優(yōu)化可以輕易的識別這種拓撲結構，不再會在任何單個GPU卡上產(chǎn)生256次通信熱點。

考慮到大部分時候ready的不止一個梯度，這種優(yōu)化還能夠同時對多個梯度進行協(xié)商，因此實際降低協(xié)商的通信量大約一個數(shù)量級。

細粒度梯度融合

梯度協(xié)商之后，所有節(jié)點都知道了當前這個時刻可以進行通信的梯度，接下來面臨的一個優(yōu)化問題是，我們是要在收集到任意數(shù)量的梯度之后立刻對所有的梯度進行通信，還是選擇某個更優(yōu)化的組合方式來通信。

這里一個確定性結論是，對單個梯度進行單次通信，通信效率總是非常低下的，我們需要進行多個梯度的融合，然后再對融合后的更大的粒度上進行通信。

AIACC-Training 引入了細粒度的融合策略，我們會在通信環(huán)節(jié)去動態(tài)分析當前的通信狀況進而選擇一種更平衡的融合策略，避免出現(xiàn)過大的差異。

這樣會使得每次通信的粒度盡量均勻，減小出現(xiàn)大幅波動的可能。因為這種融合策略對不同的網(wǎng)絡模型而言存在不同的最優(yōu)值，因此們實現(xiàn)了自動優(yōu)化的功能，會動態(tài)的調整此參數(shù)，尋找最優(yōu)的融合粒度。

異步多流通信

底層的通信庫還是采用NCCL來進行GPU間的數(shù)據(jù)通信，NCCL的編程模型僅支持單一的通信流進行通信，而單一的通信流的效率很低，單流的轉發(fā)能力往往只能達到10G bps左右。

AIACC-Training從更高的通信引擎層面支持了多流，會分配不止一個通信流來進行梯度通信，每個流服務于切分出來的某個融合梯度，而后續(xù)切分的融合粒度并不依賴于當前切分的融合梯度。

因此即使多流之間的通信是完全異步運行，即使多流之間的速度不均衡，也不會嚴重影響整體的效率，在規(guī)模擴大的時候，能更好的維持最佳的網(wǎng)絡帶寬利用率。

和融合粒度一樣，切分的流數(shù)，也會和訓練模型，以及當前的實際網(wǎng)絡帶寬有很強的相關性，因此無法離線的給出一個最優(yōu)設定。

我們設計了自動tuning機制，將通信流數(shù)目加入了自動tuning環(huán)節(jié)，融合粒度以及切分的流數(shù)，會聯(lián)合自動tuning出最佳的參數(shù)組合。

模型優(yōu)化

算法層面的優(yōu)化主要可以分為數(shù)據(jù)、模型、超參和優(yōu)化器四個方面。

數(shù)據(jù)上，我們采用了多分辨率圖像漸進訓練。這種方式不僅可以在前期利用小分辨率圖像大大提升前后向計算速度、又可以弱化訓練和推理時采用不同尺寸帶來的準確率損失。

模型上，我們吸收了近期一些網(wǎng)絡變體的優(yōu)勢，也根據(jù)最新的一些研究對BatchNorm做了微弱的調整。

超參方面我們做了很多探索，如在學習率衰減的方式上，我們沒有用很流行的step decay或是cosine decay,而是采用了更直接的linear decay，另外我們也發(fā)現(xiàn)warmup的步數(shù)非常重要。

優(yōu)化器上，我們重新設計了優(yōu)化器方案，同時吸收了SGD的泛化性優(yōu)勢和自適應優(yōu)化器快速收斂，使得改進后的優(yōu)化器訓練速度更快且準確率更高。

基于上述優(yōu)化工作，我們在28個epoch 共1159次迭代下完成訓練并達到top5 93%的精度要求，而原來訓練則需要90個epoch才能達到相同的精度。

性能結果

結合以上所有性能優(yōu)化，我們在128卡V100上，達到了158秒就能獲得top5 93%的精度，創(chuàng)造了新的世界紀錄。

刷新推理性能記錄：比第二名快5倍以上

在推理項目中，DawnBench競賽要求推理框架針對ImageNet的10000張圖片的驗證集進行圖片分類，分類模型的top5精度不低于93%。

在batch size=1的配置下，計算推理每一張圖片的平均時間和平均成本。在上一個性能紀錄中，平均推理時間只有不到1ms，已經(jīng)遠遠超過了人類視覺的反應速度。

在最新公布的榜單上，我們基于異構計算AliNPU云服務實例（ecs.ebman1.26xlarge）奪得了推理性能項目的第一名，比第二名快5倍以上。

同時，之前提交的推理成本第一的成績（基于異構計算GPU云服務實例ecs.gn6i-c8g1.2xlarge）目前還沒有人超越，因此在性能和成本兩個項目上均排名第一。

AIACC-Inference

在服務客戶和不斷沖擊DawnBench第一的過程中, 我們也在不斷打磨異構計算服務場景下的推理優(yōu)化技術, 并根據(jù)客戶的實際需求研發(fā)了AIACC-Inference模型加速引擎，幫助客戶解決主流AI框架TensorFlow、PyTorch、MXNet、Kaldi等框架下的模型優(yōu)化問題。

優(yōu)化方法包括對模型的計算圖進行分析，將其中計算節(jié)點進行融合，減少模型中計算節(jié)點的個數(shù)，提升計算圖的執(zhí)行效率。

同時提供了FP32和FP16及Int8精度的模型優(yōu)化選項，可以生成多種精度下的優(yōu)化模型，其中FP16和Int8精度模型可以利用NVIDIA Volta和Turing架構下的Tensor core硬件支持，進一步提升模型推理在V100, T4 GPU卡上的性能。

目前 AIACC-Inference 既支持常用的圖像分類和目標檢測模型，也支持Bert，StyleGAN這樣的NLP模型和GAN網(wǎng)絡模型。

此外，我們還深度優(yōu)化了1×1、3×3、7×7卷積kernel，在AIACC-Inference中增加了新op的融合機制，比目前業(yè)界最快的TensorRT還能獲得1.5-2.5倍的性能加速比。

模型與框架優(yōu)化

在上一次提交的版本中，我們將base模型換為更為精簡的ResNet26d，引領了一波風潮。

這一次為了進一步提高模型的精度并精簡模型，我們對超參數(shù)進行了調整，引入了更多的數(shù)據(jù)增強方式。通過使用了AugMix和JSD loss疊加RandAugment的組合方式，將ResNet26d模型的精度提升至93.3%，收獲0.13+%的精度收益。

基于含光800（AliNPU）的優(yōu)化

我們針對AliNPU的架構特點，對推理引擎進行了相應的優(yōu)化。由于AliNPU使用uint8作為存儲格式用于上傳和下載數(shù)據(jù)。

因此需要在進入engine前后插入量化和反量化操作用于恢復數(shù)據(jù)，但是Quant和Dequant這些操作在CPU上，無法使用AliNPU加速，占據(jù)了一大部分的推理時間，通過在預處理和后處理中執(zhí)行這些操作將推理延遲降低至0.117ms的水平。

考慮到我們使用的推理模型較小，依照GPU的經(jīng)驗帶寬4GB/s，輸入一張圖片需要將147KB的數(shù)據(jù)上傳至AliNPU中需要花費0.03ms。因此我們在框架中引入了preload機制，將數(shù)據(jù)預取入AliNPU中，將平均推理延遲進一步降低至0.0739ms。

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