最近的深度学习应用程序的成功与这些广泛可用的强大的计算资源互动，用于培训具有巨大数据集的复杂机器学习模型。尽管如此，使用模型并行性（与数据并行性相反）培训诸如卷积神经网络的大型模型是具有挑战性的，因为模型碎片之间的通信的复杂性使得难以在具有可接受的权衡的多台机器上有效地分区计算。本文介绍了SplitBrain，高性能分布式深度学习框架支持混合数据和模型并行性。具体而言，拆分提供了专用的分区，其共同定位计算密集型卷积层，同时分析记忆苛刻的层。提出了一种新颖的可扩展组沟通，以进一步提高培训吞吐量，通过减少通信开销。结果表明，Splitbrain可以实现几乎线性的加速，同时节省高达67 \％的数据和模型平行VGG通过CIFAR-10的内存消耗。

二阶优化方法，尤其是D-KFAC（分布式Kronecker近似曲率）算法，在加速GPU簇上加速了深神经网络（DNN）训练方面已获得了吸引力。但是，现有的D-KFAC算法需要计算和传达大量二阶信息，即Kronecker因素（KFS），在预处理梯度之前，导致大量计算和通信开销以及高存储器足迹。在本文中，我们提出了DP-KFAC，这是一种新颖的分布式预处理方案，该方案将不同DNN层的KF构造任务分配给不同的工人。 DP-KFAC不仅保留了现有D-KFAC算法的收敛性属性，而且还可以带来三个好处：减少计算开销在构造KFS中，没有KFS的通信和低内存足迹。在64-GPU群集上进行的广泛实验表明，DP-KFAC将开销的计算开销降低了1.55 x-1.65x，通信成本降低2.79x-3.15x，并且内存足迹在每秒二阶更新中降低1.14x-1.47 x与最先进的D-KFAC方法相比。

近年来，目睹了分布式数据并行培训的越来越多的系统列表。现有系统很大程度上适合两个范例，即参数服务器和MPI样式的集体操作。在算法方面，研究人员提出了广泛的技术，以通过系统弛豫降低通信：量化，分散和通信延迟。然而，大多数情况下，如果不是全部，现有系统仅依赖于标准的同步和异步随机梯度（SG）的优化，因此不能利用机器学习社区最近发展的所有可能的优化。鉴于该系统和理论的当前景观之间的新出现差距，我们构建了一个MPI式通信库，提供了一种基元的集合，这既灵活又模块化，以支持分布式的最先进的系统松弛技术训练。 BAGUA提供了这种设计，拥有巨大的实现和扩展各种最先进的分布式学习算法的能力。在具有多达16台机器（128个GPU）的生产群集中，BAGUA可以在端到端培训时间内优于Pytorch-DDP，Horovod和ByTeps，在各种任务范围内的重大边缘（最多2次）。此外，我们进行严格的权衡探索，表明不同的算法和系统放松在不同的网络条件下实现了最佳性能。

嵌入式模型是高维数据的有效学习范例。但是，嵌入模型的一个开放问题是它们的表示（潜在因子）通常会导致大参数空间。我们观察到，现有的分布式训练框架面临嵌入模型的可伸缩性问题，因为从服务器的共享嵌入参数更新和检索共享嵌入参数通常占主导地位培训周期。在本文中，我们提出了一种新的系统框架，可显着提高巨大嵌入模型培训的可扩展性。我们拥抱嵌入的嵌入式作为绩效机会的倾斜流行分布，并利用它来解决具有嵌入缓存的通信瓶颈。为确保缓存跨越一致性，我们将新的一致性模型纳入HET设计，该模型提供了在每嵌入的基础上提供细粒度的一致性保证。与以前的工作相比，只允许读取操作的僵化，HET也利用了写入操作的血液性。六种代表性任务的评估表明，在最先进的基线上，HET达到高达88％的嵌入通信减少和高达20.68倍的性能加速。

培训尺寸培训大型深度学习模型非常具有挑战性。本文提出了一种新型管道并行方案，该方案结合了双向管道，以有效地训练大规模模型。嵌合体是一种同步方法，因此不会损失精度，比异步方法更加融合。与最新的同步管道方法相比，嵌合体将气泡的数量降低至50％;受益于双向管道的复杂调度，嵌合体具有更平衡的激活记忆消耗。评估是在基于变压器的语言模型上进行的。对于在PIZ Daint超级计算机的2,048个GPU节点上运行的GPT-2模型，Chimera通过最先进的同步和异步管道方法将培训吞吐量提高了1.16x-2.34x。

深度学习领域目睹了对极端计算和内存密集型神经网络的显着转变。这些较新的较大模型使研究人员能够推进各种领域的最先进的工具。这种现象刺激了在更多的硬件加速器上产生了针对神经网络的分布式训练的算法。在本文中，我们讨论并比较了当前的最先进的框架，以实现大规模的分布式深度学习。首先，我们调查分布式学习中的当前实践，并确定所使用的不同类型的并行性。然后，我们提出了对大型图像和语言培训任务的性能进行了经验结果。此外，我们解决了他们的统计效率和内存消耗行为。根据我们的结果，我们讨论了阻碍性能的每个框架的算法和实现部分。

Large deep learning models offer significant accuracy gains, but training billions to trillions of parameters is challenging. Existing solutions such as data and model parallelisms exhibit fundamental limitations to fit these models into limited device memory, while obtaining computation, communication and development efficiency. We develop a novel solution, Zero Redundancy Optimizer (ZeRO), to optimize memory, vastly improving training speed while increasing the model size that can be efficiently trained. ZeRO eliminates memory redundancies in data-and model-parallel training while retaining low communication volume and high computational granularity, allowing us to scale the model size proportional to the number of devices with sustained high efficiency. Our analysis on memory requirements and communication volume demonstrates: ZeRO has the potential to scale beyond 1 Trillion parameters using today's hardware.We implement and evaluate ZeRO: it trains large models of over 100B parameter with super-linear speedup on 400 GPUs, achieving throughput of 15 Petaflops. This represents an 8x increase in model size and 10x increase in achievable performance over state-of-the-art. In terms of usability, ZeRO can train large models of up to 13B parameters (e.g., larger than Megatron GPT 8.3B and T5 11B) without requiring model parallelism which is harder for scientists to apply. Last but not the least, researchers have used the system breakthroughs of ZeRO to create the world's largest language model (17B parameters) with record breaking accuracy.

基于深度学习的模型占主导地位的生产推荐系统的当前景观。此外，近年来目睹了模型规模的指数增长 - 从谷歌的2016年模型，最新的Facebook的型号有10亿个参数，具有12万亿参数。型号容量的每次跳跃都有显着的质量增强，这使我们相信100万亿参数的时代即将来临。然而，即使在工业规模数据中心内，这些模型的培训也在挑战。这种困难是从训练计算的惊人的异质性继承 - 模型的嵌入层可以包括总模型尺寸的99.99％，这是极其内存密集的;虽然其余的神经网络越来越多地计算密集型。为支持培训此类巨大模式，迫切需要有效的分布式培训系统。在本文中，我们通过仔细共同设计优化算法和分布式系统架构来解决这一挑战。具体而言，为了确保培训效率和训练精度，我们设计一种新型混合训练算法，其中嵌入层和密集的神经网络由不同的同步机制处理;然后，我们构建一个名为Persia的系统（短暂的并行推荐培训系统，其中包含混合加速），以支持这种混合培训算法。理论上的示范和实证研究均达到100万亿参数，以证明了波斯的系统设计和实施。我们将Pensia公开使用（在https://github.com/persiamml/persia），以便任何人都能够以100万亿参数的规模轻松培训推荐模型。

Recent work in unsupervised feature learning and deep learning has shown that being able to train large models can dramatically improve performance. In this paper, we consider the problem of training a deep network with billions of parameters using tens of thousands of CPU cores. We have developed a software framework called DistBelief that can utilize computing clusters with thousands of machines to train large models. Within this framework, we have developed two algorithms for large-scale distributed training: (i) Downpour SGD, an asynchronous stochastic gradient descent procedure supporting a large number of model replicas, and (ii) Sandblaster, a framework that supports a variety of distributed batch optimization procedures, including a distributed implementation of L-BFGS. Downpour SGD and Sandblaster L-BFGS both increase the scale and speed of deep network training. We have successfully used our system to train a deep network 30x larger than previously reported in the literature, and achieves state-of-the-art performance on ImageNet, a visual object recognition task with 16 million images and 21k categories. We show that these same techniques dramatically accelerate the training of a more modestly-sized deep network for a commercial speech recognition service. Although we focus on and report performance of these methods as applied to training large neural networks, the underlying algorithms are applicable to any gradient-based machine learning algorithm.

预训练的模型（PTM）正在革新人工智能（AI）技术。但是，PTM培训的硬件要求非常高，使其成为一小部分人的游戏。因此，我们提出了Patrickstar系统，以降低PTM的硬件要求，并使所有人都可以使用。 Patrickstar使用CPU-GPU异质存储空间来存储模型数据。与现有作品不同，我们在内存块中组织模型数据，并在异质内存中动态分配它们。在热身迭代中收集的运行时内存统计的指导下，块在异质内存中有效地精心策划，并生成较低的CPU-GPU数据传输量和较高的带宽利用率。与零冗余优化器的共生，Patrickstar量表在多个节点上均为多个GPU。 ％使用数据并行性。该系统可以在更大的型号和较大的批次大小上训练任务，这是现有工程无法完成的。实验结果表明，Patrickstar扩展了模型量表2.27和2.5倍，并且始终显示出更高的执行速度。 Patricstar还成功地在32 GPU集群上成功运行了175B GPT3培训任务。我们的代码可在https://github.com/tencent/patrickstar上公开获取。

Graph neural networks (GNNs) have been demonstrated to be a powerful algorithmic model in broad application fields for their effectiveness in learning over graphs. To scale GNN training up for large-scale and ever-growing graphs, the most promising solution is distributed training which distributes the workload of training across multiple computing nodes. However, the workflows, computational patterns, communication patterns, and optimization techniques of distributed GNN training remain preliminarily understood. In this paper, we provide a comprehensive survey of distributed GNN training by investigating various optimization techniques used in distributed GNN training. First, distributed GNN training is classified into several categories according to their workflows. In addition, their computational patterns and communication patterns, as well as the optimization techniques proposed by recent work are introduced. Second, the software frameworks and hardware platforms of distributed GNN training are also introduced for a deeper understanding. Third, distributed GNN training is compared with distributed training of deep neural networks, emphasizing the uniqueness of distributed GNN training. Finally, interesting issues and opportunities in this field are discussed.

图形神经网络（GNN）已被证明是分析非欧国人图数据的强大工具。但是，缺乏有效的分布图学习（GL）系统极大地阻碍了GNN的应用，尤其是当图形大且GNN相对深时。本文中，我们提出了GraphTheta，这是一种以顶点为中心的图形编程模型实现的新颖分布式和可扩展的GL系统。 GraphTheta是第一个基于分布式图处理的GL系统，其神经网络运算符以用户定义的功能实现。该系统支持多种培训策略，并在分布式（虚拟）机器上启用高度可扩展的大图学习。为了促进图形卷积实现，GraphTheta提出了一个名为NN-Tgar的新的GL抽象，以弥合图形处理和图形深度学习之间的差距。提出了分布式图引擎，以通过混合平行执行进行随机梯度下降优化。此外，除了全球批次和迷你批次外，我们还为新的集群批次培训策略提供了支持。我们使用许多网络大小的数据集评估GraphTheta，范围从小，适度到大规模。实验结果表明，GraphTheta可以很好地扩展到1,024名工人，用于培训内部开发的GNN，该工业尺度的Aripay数据集为14亿个节点和41亿个属性边缘，并带有CPU虚拟机（Dockers）群的小群。 （5 $ \ sim $ 12GB）。此外，GraphTheta比最先进的GNN实现获得了可比或更好的预测结果，证明其学习GNN和现有框架的能力，并且可以超过多达$ 2.02 \ tims $ $ 2.02 \ times $，具有更好的可扩展性。据我们所知，这项工作介绍了文献中最大的边缘属性GNN学习任务。

TensorFlow is a machine learning system that operates at large scale and in heterogeneous environments. Tensor-Flow uses dataflow graphs to represent computation, shared state, and the operations that mutate that state. It maps the nodes of a dataflow graph across many machines in a cluster, and within a machine across multiple computational devices, including multicore CPUs, generalpurpose GPUs, and custom-designed ASICs known as Tensor Processing Units (TPUs). This architecture gives flexibility to the application developer: whereas in previous "parameter server" designs the management of shared state is built into the system, TensorFlow enables developers to experiment with novel optimizations and training algorithms. TensorFlow supports a variety of applications, with a focus on training and inference on deep neural networks. Several Google services use TensorFlow in production, we have released it as an open-source project, and it has become widely used for machine learning research. In this paper, we describe the TensorFlow dataflow model and demonstrate the compelling performance that Tensor-Flow achieves for several real-world applications.

基础模型正在成为主要的深度学习技术。由于模型参数和训练数据集的大规模，预处理基础模型始终耗时。除了计算密集型外，培训过程还非常密集和沟通密集。这些功能使得需要应用3D并行性，该平行性整合数据并行性，管道模型并行性和张量模型并行性，以实现高训练效率。为了实现这一目标，开发了一些自定义软件框架，例如Megatron-LM和DeepSpeed。但是，当前的3D平行框架仍然符合两个问题：i）它们对模型开发人员不透明，这些开发人员需要手动修改模型以并行化培训。 ii）它们对计算，GPU存储器和网络带宽的利用不足。我们提出了Merak，这是一个自动化的3D并行性深度学习培训框架，并具有高度资源利用。 Merak会自动使用自动模型分区仪部署，该分区仪在模型的代理表示上使用图形sharding算法。 Merak还提出了非侵入性的API，用于通过最小的代码修改来扩展基础模型培训。此外，我们在Merak设计了高性能的3D平行运行时引擎。它使用多种技术来利用可用的培训资源，包括移动的关键路径管道时间表，该计划带来了更高的计算利用率，阶段感知的重新计算，可利用空闲工作者的记忆以及子额定张量的模型并行性，这些模型并联与通信和计算重叠。 64 GPU的实验显示，Merak可以加快在最新的3D平行性框架上，具有1.5、2.5、8.3和20亿的模型框架，最高可达1.42x，1.39x，1.43x和1.61 x分别。

大型变压器模型在各种自然语言处理（NLP）任务上显示出令人鼓舞的性能。尽管AI社区已将模型量表扩展到了万亿个参数级别，但由于延迟，吞吐量和内存约束，仍不确定100亿参数模型的实际部署。在本文中，我们提出了Energonai，以解决单个或多GPU系统上有效部署1000亿参数变压器模型的挑战。 Energonai采用层次结构控制器系统体系结构来协调多个设备并有效支持不同的并行模式。它将子模型的执行委托给单个控制器样式的多个工人，并以多控制器样式的工人之间的工人之间的张量并行性和管道并行性。在新的架构上，我们提出了三种技术，即非阻滞管道并行性，分布式冗余计算消除和同行记忆池。 Energonai使用户能够编程复杂的并行代码与串行编码相同。与FertransFormer相比，我们已经证明，Energonai在延迟和吞吐量方面具有较高的性能。在我们的实验中，Energonai可以在张量并行性，管道并行性的10％可伸缩性中实现37％的潜伏期降低，并通过使用较大的异质记忆空间以有限的性能降低的成本来提高对单个GPU推断的模型量表。

Deep learning based recommendation models (DLRM) are widely used in several business critical applications. Training such recommendation models efficiently is challenging primarily because they consist of billions of embedding-based parameters which are often stored remotely leading to significant overheads from embedding access. By profiling existing DLRM training, we observe that only 8.5% of the iteration time is spent in forward/backward pass while the remaining time is spent on embedding and model synchronization. Our key insight in this paper is that access to embeddings have a specific structure and pattern which can be used to accelerate training. We observe that embedding accesses are heavily skewed, with almost 1% of embeddings represent more than 92% of total accesses. Further, we observe that during training we can lookahead at future batches to determine exactly which embeddings will be needed at what iteration in the future. Based on these insight, we propose Bagpipe, a system for training deep recommendation models that uses caching and prefetching to overlap remote embedding accesses with the computation. We designed an Oracle Cacher, a new system component which uses our lookahead algorithm to generate optimal cache update decisions and provide strong consistency guarantees. Our experiments using three datasets and two models shows that our approach provides a speed up of up to 6.2x compared to state of the art baselines, while providing the same convergence and reproducibility guarantees as synchronous training.

模型大小的范围不断增加，并且持续改进性能使大型模型时代的到来的到来。在本报告中，我们通过潜入培训目标和培训方法来探讨大型模型培训如何运作。具体而言，培训目标描述了如何利用Web规模数据来开发基于自我监督的学习以及基于分布式培训的培训方法，开发出极强的大型模型，描述了如何使大型模型培训成为现实。我们将现有的培训方法总结为三个主要类别：训练并行性，节省记忆技术和模型稀疏设计。训练并行性可以根据发生的并行性维度分类为数据，管道和张量并行性。节省记忆的技术是正交的，并且与训练并行性互补。和模型稀疏设计以恒定的计算成本进一步扩大模型大小。在https://github.com/qhliu26/bm-training提供了不断更新的大型模型培训清单。

最近，稀疏的培训方法已开始作为事实上的人工神经网络的培训和推理效率的方法。然而，这种效率只是理论上。在实践中，每个人都使用二进制掩码来模拟稀疏性，因为典型的深度学习软件和硬件已针对密集的矩阵操作进行了优化。在本文中，我们采用正交方法，我们表明我们可以训练真正稀疏的神经网络以收获其全部潜力。为了实现这一目标，我们介绍了三个新颖的贡献，这些贡献是专门为稀疏神经网络设计的：（1）平行训练算法及其相应的稀疏实现，（2）具有不可训练的参数的激活功能，以支持梯度流动，以支持梯度流量， （3）隐藏的神经元对消除冗余的重要性指标。总而言之，我们能够打破记录并训练有史以来最大的神经网络在代表力方面训练 - 达到蝙蝠大脑的大小。结果表明，我们的方法具有最先进的表现，同时为环保人工智能时代开辟了道路。

ALPA通过生成统一数据，操作员和管道并行性的执行计划来自动对大型深度学习（DL）模型的模型平行训练。现有的模型并行训练系统要求用户手动创建并行化计划，或者自动从有限的模型并行性配置中生成一个计划。它们不足以在分布式计算设备上扩展复杂的DL模型。 ALPA通过将并行性视为两个层次级别来分配大型DL模型的训练：操作员和操作员并行性。基于它，ALPA构建了一个新的分层空间，用于大规模的模型并行执行计划。 ALPA设计了许多汇编，以在每个并行性级别自动得出有效的并行执行计划。 ALPA实现了有效的运行时，以在分布式计算设备上协调两级并行执行。我们的评估表明，ALPA生成的并行化计划，即使在其设计的型号上，也可以匹配或超过手动模型并联训练系统。与专业系统不同，ALPA还推广到具有异质体系结构和模型的模型，而没有手动设计的计划。 ALPA的源代码可在https://github.com/alpa-projects/alpa上公开获得

在过去的十年中，深度神经网络（DNNS）的规模成倍增长，只剩下那些具有大量基于数据中心的资源的人具有开发和培训此类模型的能力。对于可能只有有限的资源（例如，单个多GPU服务器）的研究人员的长尾巴的主要挑战之一是GPU内存能力与模型大小相比。问题是如此严重，以至于训练大规模DNN模型的内存需求通常可以超过单个服务器上所有可用GPU的总容量；这个问题只会随着不断增长的模型大小的趋势而变得更糟。当前依赖于虚拟化GPU内存的解决方案（通过向CPU内存交换/从CPU内存）会产生过多的交换开销。在本文中，我们提出了一个新的培训框架，和谐和倡导者，重新思考了DNN框架如何安排计算并移动数据以在单个商品服务器上有效地推动培训大规模模型的边界。在各种大型DNN模型中，Harmony能够将交换负载最多减少两个数量级，并在具有虚拟化内存的高度优化基线上获得高达7.6倍的训练吞吐量加速。