今天介紹一種新的GPU多卡計(jì)算的通信優(yōu)化算法——Ring Allreduce。

　　先來講一下常規(guī)的GPU多卡分布式計(jì)算的原理。

　　第一點(diǎn)：我們知道GPU在矩陣并行化計(jì)算方面非常有優(yōu)勢(shì)，所以適合深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練。

　　第二點(diǎn)：使用多個(gè)GPU卡訓(xùn)練同一個(gè)深度學(xué)習(xí)任務(wù)就是分布式計(jì)算。

　　第三點(diǎn)：在分布式計(jì)算過程中，需要對(duì)計(jì)算任務(wù)資源進(jìn)行分片，通常的方式是將完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)放到每一個(gè)GPU上，然后將訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行分片分發(fā)到不同的GPU卡上。

　　于是GPU分布式計(jì)算的具體形式就比較清晰了，以上圖為例。GPU1~4卡負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的訓(xùn)練，每個(gè)卡上都布置了相同的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)卡都分配到不同的數(shù)據(jù)的minibatch。每張卡訓(xùn)練結(jié)束后將網(wǎng)絡(luò)參數(shù)同步到GPU0，也就是Reducer這張卡上，然后再求參數(shù)變換的平均下發(fā)到每張計(jì)算卡，整個(gè)流程有點(diǎn)像mapreduce的原理。

　　這里面就涉及到了兩個(gè)問題：

　　問題一，每一輪的訓(xùn)練迭代都需要所有卡都將數(shù)據(jù)同步完做一次Reduce才算結(jié)束。如果卡數(shù)比較少的情況下，其實(shí)影響不大，但是如果并行的卡很多的時(shí)候，就涉及到計(jì)算快的卡需要去等待計(jì)算慢的卡的情況，造成計(jì)算資源的浪費(fèi)。

　　問題二，每次迭代所有的計(jì)算GPU卡多需要針對(duì)全部的模型參數(shù)跟Reduce卡進(jìn)行通信，如果參數(shù)的數(shù)據(jù)量大的時(shí)候，那么這種通信開銷也是非常龐大，而且這種開銷會(huì)隨著卡數(shù)的增加而線性增長(zhǎng)。

　　為了解決這樣的問題，就引入了一種通信算法Ring Allreduce，通過將GPU卡的通信模式拼接成一個(gè)環(huán)形，從而減少隨著卡數(shù)增加而帶來的資源消耗，如下圖所示：

　　將GPU卡以環(huán)形通信之后，每張卡都有一個(gè)左手卡和右手卡，那么具體的模型參數(shù)是如何傳遞的呢，可以看下圖：

　　因?yàn)槊繌埧ㄉ厦娴木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是固定的，所以里面的參數(shù)結(jié)構(gòu)相同。每次通信的過程中，只將參數(shù)send到右手邊的卡，然后從左手邊的卡receive數(shù)據(jù)。經(jīng)過不斷地迭代，就會(huì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)參數(shù)的同步，也就是reduce。

　　形成以下這張圖的樣式：

　　通過Ring Allreduce的方式，基本上可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)GPU并行卡數(shù)的增加，實(shí)現(xiàn)計(jì)算性能的線性增長(zhǎng)。