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.

随着机器学习系统的计算要求以及机器学习框架的规模和复杂性的增加，基本框架创新变得具有挑战性。尽管计算需求驱动了最近的编译器，网络和硬件的进步，但通过机器学习工具对这些进步的利用却以较慢的速度发生。这部分是由于与现有框架原型制作新的计算范式有关的困难。大型框架将机器学习研究人员和从业人员作为最终用户的优先级优先，并且很少关注能够向前推动框架的系统研究人员 - 我们认为两者都是同等重要的利益相关者。我们介绍了手电筒，这是一个开源库，旨在通过优先考虑开放式，模块化，可定制的内部设备以及最新的，可用于研究的模型和培训设置，以刺激机器学习工具和系统的创新。手电筒使系统研究人员能够快速原型并尝试机器学习计算中的新思想，并且开销低，与其他流行的机器学习框架竞争并经常超过其他流行的机器学习框架。我们将手电筒视为一种工具，可以使可以使广泛使用的图书馆受益，并使机器学习和系统研究人员更加紧密地结合在一起。手电筒可从https://github.com/flashlight/flashlight获得。

Deep learning frameworks have often focused on either usability or speed, but not both. PyTorch is a machine learning library that shows that these two goals are in fact compatible: it provides an imperative and Pythonic programming style that supports code as a model, makes debugging easy and is consistent with other popular scientific computing libraries, while remaining efficient and supporting hardware accelerators such as GPUs. In this paper, we detail the principles that drove the implementation of PyTorch and how they are reflected in its architecture. We emphasize that every aspect of PyTorch is a regular Python program under the full control of its user. We also explain how the careful and pragmatic implementation of the key components of its runtime enables them to work together to achieve compelling performance. We demonstrate the efficiency of individual subsystems, as well as the overall speed of PyTorch on several common benchmarks.

分散算法是一种计算形式，通过依赖于直接连接代理之间的低成本通信的本地动态实现全局目标。在涉及分布式数据集的大规模优化任务中，分散算法显示出强大，有时优越，性能与中央节点的分布式算法。最近，发展分散的深度学习算法引起了极大的关注。它们被视为使用参数服务器或环形恢复协议的那些的低通信开销替代方案。但是，缺乏易于使用和高效的软件包仅在纸上保持了最分散的算法。为了填补差距，我们介绍了Bluefog，一个Python库进行了直接的，高性能的不同分散算法的实现。基于各种通信操作的统一抽象，Bluefog提供直观的接口来实现分散的算法的频谱，从使用静态无向图的那些，用于使用动态和定向图形的同步操作进行异步操作。 Bluefog还采用了多种系统级加速技术，以进一步优化深度学习任务的性能。在主流DNN培训任务中，Bluefog达到了更高的吞吐量，并实现了一个总体上的吞吐量1.2 \ times \ sim 1.8 \ times $ speedup，这是一个基于环 - allyuce的最先进的分布式深度学习包。 Bluefog是https://github.com/bluefog-lib/bluefog的开源。

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.

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。

There is an increasing need to bring machine learning to a wide diversity of hardware devices. Current frameworks rely on vendor-specific operator libraries and optimize for a narrow range of server-class GPUs. Deploying workloads to new platforms -such as mobile phones, embedded devices, and accelerators (e.g., FPGAs, ASICs) -requires significant manual effort. We propose TVM, a compiler that exposes graph-level and operator-level optimizations to provide performance portability to deep learning workloads across diverse hardware back-ends. TVM solves optimization challenges specific to deep learning, such as high-level operator fusion, mapping to arbitrary hardware primitives, and memory latency hiding. It also automates optimization of low-level programs to hardware characteristics by employing a novel, learning-based cost modeling method for rapid exploration of code optimizations. Experimental results show that TVM delivers performance across hardware back-ends that are competitive with state-ofthe-art, hand-tuned libraries for low-power CPU, mobile GPU, and server-class GPUs. We also demonstrate TVM's ability to target new accelerator back-ends, such as the FPGA-based generic deep learning accelerator.The system is open sourced and in production use inside several major companies.

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。

在过去十年中，已经开发出新的深度学习（DL）算法，工作负载和硬件来解决各种问题。尽管工作量和硬件生态系统的进步，DL系统的编程方法是停滞不前的。 DL工作负载从DL库中的高度优化，特定于平台和不灵活的内核，或者在新颖的操作员的情况下，通过具有强大性能的DL框架基元建立参考实现。这项工作介绍了Tensor加工基元（TPP），一个编程抽象，用于高效的DL工作负载的高效，便携式实现。 TPPS定义了一组紧凑而多才多艺的2D张镜操作员（或虚拟张量ISA），随后可以用作构建块，以在高维张量上构建复杂的运算符。 TPP规范是平台 - 不可行的，因此通过TPPS表示的代码是便携式的，而TPP实现是高度优化的，并且特定于平台。我们展示了我们使用独立内核和端到端DL＆HPC工作负载完全通过TPPS表达的方法的效力和生存性，这在多个平台上优于最先进的实现。

我们呈现GSPMD，一种用于公共机器学习计算的自动，基于编译的并行化系统。它允许用户以与单个设备的方式相同的方式编写程序，然后通过关于如何分发Tensors的一些注释来提供提示，基于哪个GSPMD将并行化计算。其分区的表示简单尚不一般，允许它在各种模型上表达并行性的不同或混合范式。GSPMD基于有限的用户注释为每个运算符的分区Inventing，使得缩放现有的单设备程序方便。它解决了生产使用的几种技术挑战，允许GSPMD实现50％至62％的计算利用率，用于高达2048个云TPUv3核心，适用于高达1万亿参数的模型。

随着深度学习模型的速度较大，需要进行大型型号培训的系统级解决方案。我们展示了Amazon Sagemaker模型并行性，这是一个与Pytorch集成的软件库，并且可以使用模型并行性和其他内存节省功能轻松培训大型模型。与现有解决方案相比，Sagemaker库的实现更通用，灵活，因为它可以自动分区和运行具有最小代码的任意模型架构上的管道并行性，并且还为张量并行度提供一般和可扩展的框架，它支持更广泛的用例，并且可以轻松应用于新培训脚本的模块化。该库还将本机Pytorch用户体验保留到更大的程度，支持模块重复使用和动态图形，同时让用户完全控制训练步骤的细节。我们评估GPT-3，Roberta，BERT和神经协作过滤的性能，并表现出对现有解决方案的竞争性能。

分布式培训已成为培训大型神经网络（NN）模型的普遍性和有效的方法，该模型加工大规模数据。然而，满足来自各种NN模型，多样化计算资源的要求以及在培训工作期间的动态变化是非常挑战的。在这项研究中，我们在系统的端到端视图中设计了我们的分布式训练框架，以提供不同场景的内置自适应能力，特别是对于工业应用和生产环境，通过完全考虑资源分配，模型分区，任务放置和分布式执行。基于统一的分布式图和统一群集对象，我们的自适应框架配备了全球成本模型和全局计划者，可以实现任意并行，资源感知的放置，多模式执行，容错和弹性分布式。训练。实验表明，我们的框架可以满足应用程序的多样性和资源的异质性满足各种要求和具有竞争力的性能。具有260亿参数的Ernie语言模型在数千个AI处理器上有效地培训，可扩展性较弱的91.7％。通过采用异质管道异步执行，从推荐系统的模型的吞吐量可以分别增加到2.1倍，仅增加了GPU和CPU培训的3.3倍。此外，容错和弹性分布式培训已成功应用于在线工业应用，这减少了长期培训工作的数量，增加了34.49％，并在全球调度效率增加了33.91％生产环境。

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。

变形金刚是一种深入学习语言模型，用于数据中心中的自然语言处理（NLP）服务。在变压器模型中，生成的预训练的变压器（GPT）在文本生成或自然语言生成（NLG）中取得了显着的性能，它需要在摘要阶段处理大型输入上下文，然后是产生一个生成阶段的一次单词。常规平台（例如GPU）专门用于在摘要阶段平行处理大型输入，但是由于其顺序特征，它们的性能在生成阶段显着降低。因此，需要一个有效的硬件平台来解决由文本生成的顺序特征引起的高潜伏期。在本文中，我们提出了DFX，这是一种多FPGA加速器，该设备在摘要和发电阶段中执行GPT-2模型端到端，并具有低延迟和高吞吐量。 DFX使用模型并行性和优化的数据流，这是模型和硬件感知的设备之间快速同时执行执行。其计算核心根据自定义说明运行，并提供GPT-2操作端到端。我们在四个Xilinx Alveo U280 FPGAS上实现了建议的硬件体系结构，并利用了高带宽内存（HBM）的所有频道，以及用于高硬件效率的最大计算资源数量。 DFX在现代GPT-2模型上实现了四个NVIDIA V100 GPU的5.58倍加速度和3.99倍的能效。 DFX的成本效益比GPU设备更具成本效益，这表明它是云数据中心中文本生成工作负载的有前途解决方案。

现代深度学习框架提供嵌入在Python中的必要的急切执行编程接口，以提供生产的开发体验。但是，深度学习从业者有时需要捕获和转换程序结构以进行性能优化，可视化，分析和硬件集成。我们研究了深度学习中使用的程序捕获和转型的不同设计。通过设计典型的深度学习用例而不是长尾部，可以为程序捕获和转换创建更简单的框架。我们在Torch.fx中应用了这一原理，是一个完全在Python写入的Pytorch的程序捕获和转换库，并通过ML从业者进行高开发人员生产力优化。我们存在案例研究，展示了Torch.fx如何实现先前在Pytorch生态系统中无法访问的工作流程。

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。

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

Reinforcement learning (RL) algorithms involve the deep nesting of highly irregular computation patterns, each of which typically exhibits opportunities for distributed computation. We argue for distributing RL components in a composable way by adapting algorithms for top-down hierarchical control, thereby encapsulating parallelism and resource requirements within short-running compute tasks. We demonstrate the benefits of this principle through RLlib: a library that provides scalable software primitives for RL. These primitives enable a broad range of algorithms to be implemented with high performance, scalability, and substantial code reuse. RLlib is available as part of the open source Ray project 1 .

Deep neural networks (DNNs) are currently widely used for many artificial intelligence (AI) applications including computer vision, speech recognition, and robotics. While DNNs deliver state-of-the-art accuracy on many AI tasks, it comes at the cost of high computational complexity. Accordingly, techniques that enable efficient processing of DNNs to improve energy efficiency and throughput without sacrificing application accuracy or increasing hardware cost are critical to the wide deployment of DNNs in AI systems.This article aims to provide a comprehensive tutorial and survey about the recent advances towards the goal of enabling efficient processing of DNNs. Specifically, it will provide an overview of DNNs, discuss various hardware platforms and architectures that support DNNs, and highlight key trends in reducing the computation cost of DNNs either solely via hardware design changes or via joint hardware design and DNN algorithm changes. It will also summarize various development resources that enable researchers and practitioners to quickly get started in this field, and highlight important benchmarking metrics and design considerations that should be used for evaluating the rapidly growing number of DNN hardware designs, optionally including algorithmic co-designs, being proposed in academia and industry.The reader will take away the following concepts from this article: understand the key design considerations for DNNs; be able to evaluate different DNN hardware implementations with benchmarks and comparison metrics; understand the trade-offs between various hardware architectures and platforms; be able to evaluate the utility of various DNN design techniques for efficient processing; and understand recent implementation trends and opportunities.

科学家越来越依靠Python工具使用丰富的，类似于Numpy的表达式执行可扩展的分布式内存阵列操作。但是，这些工具中的许多工具都依赖于针对抽象任务图进行了优化的动态调度程序，这些调度图通常遇到内存和网络带宽相关的瓶颈，这是由于亚最佳数据和操作员的放置决策。在消息传递接口（MPI）（例如Scalapack和Slate）上构建的工具具有更好的缩放属性，但是这些解决方案需要使用专门的知识。在这项工作中，我们提出了NUMS，这是一个数组编程库，可在基于任务的分布式系统上优化类似Numpy的表达式。这是通过称为负载模拟层次调度（LSHS）的新型调度程序来实现的。 LSHS是一种本地搜索方法，可通过最大程度地减少分布式系统中任何给定节点上的最大内存和网络加载来优化操作员放置。再加上用于负载平衡数据布局的启发式，我们的方法能够在某些常见的数值操作上达到通信下限，我们的经验研究表明，LSHS通过减少2倍的降低2倍来增强RAR上的性能，需要减少4倍的内存， ，在逻辑回归问题上减少10倍的执行时间。在Terabyte尺度数据上，NUMS在DGEMM上实现了竞争性能，与Dask ML和Spark的Mllib相比，在键盘分解的密钥操作中，DASK高达20倍的速度以及logistic回归的2倍加速。