大模型训练：如何解决GPU万卡互联挑战？
如何解决GPU万卡互联的挑战
近日，字节跳动携手北京大学研究团队发布重磅论文，揭示了一项革命性技术：将大型语言模型训练扩展至超10,000块GPU的生产系统。此系统不仅解决了万卡集群训练大模型时的效率和稳定性难题，更标志着人工智能领域的一大步跨越，为未来的智能世界奠定坚实基础。
本论文详尽阐述了系统的设计、实现与部署流程，并深入探讨了万卡级别集群规模的挑战与应对策略，为相关领域提供了宝贵参考。
01 万卡集群的两大挑战
大模型时代，算力即生产力，模型与数据的大小决定其能力。市场巨头们以数万GPU构建AI集群，以训练LLM。然而，当GPU集群规模达万卡，高效稳定的训练成为挑战。我们深知，在算力与模型的双重考验下，唯有掌握核心技术与创新方法，方能引领大模型时代，实现生产力的飞跃。
大规模高效训练是首要挑战。模型浮点运算利用率（MFU）作为评估训练效率的通用指标，直观反映训练速度。在训练大型语言模型（LLM）时，需将模型分布至多个GPU，并确保GPU间高效通信。然而，通信仅是冰山一角，操作符优化、数据预处理及GPU内存消耗等因素亦对MFU产生深远影响。优化这些因素，方能提升训练效率，迎接大规模高效训练的挑战。
第二个挑战在于确保大规模训练过程中的高稳定性与高效率。在大模型训练中，稳定性至关重要，因为失败和延迟虽然常见，但代价高昂。缩短故障恢复时间刻不容缓，因为一旦有掉队者，不仅影响个人进度，更可能导致数万GPU的整体作业受阻。我们需精心优化，确保训练稳定高效，以应对这一挑战。
面对挑战，字节跳动创新推出MegaScale超大规模系统，并已成功应用于自家数据中心。究竟字节如何攻克难题？揭秘其解决方案，展现技术实力，引领行业新风尚。
02 如何实现大模型的高效训练？
要在保证模型精准度的基础上应对计算需求的激增，需运用尖端算法优化、通信策略、数据流水线管理以及网络性能调优技术。本文深入剖析大型模型训练优化方法，助力实现大规模高效训练，确保性能与效率双赢。
算法优化
经过算法层面的精心优化，我们在确保准确性的基础上，显著提升了训练效率。此次优化涵盖了并行Transformer块、滑动窗口注意力（SWA）以及LAMB优化器等关键技术，为您带来更高效、更稳定的计算体验。
并行Transformer块革新计算模式，摒弃传统序列化公式，实现注意力块与MLP块的并行运算，大幅缩短计算时间。研究表明，此改进不仅未损害数千亿参数模型的质量，反而提升了处理效率。这项创新将引领深度学习领域迈向更高效、更快速的新纪元。
滑动窗口注意力（SWA）是一种高效稀疏注意力机制，通过固定大小窗口聚焦输入序列的每个标记，显著优于全自注意力。堆叠SWA层，模型轻松捕获广泛上下文，构建大感受野，既确保准确性又提升训练速度。SWA，让注意力更集中，训练更高效。
LAMB优化器突破了大规模高效训练中的批量大小限制难题。即便增加批量大小，它也能确保模型收敛不受影响。这一创新使得BERT的训练批量大小能够扩展至惊人的64K，同时维持了训练准确性，为深度学习领域带来了革命性的提升。
3D并行中的通信重叠
3D并行指张量并行、流水线并行和数据并行。
在数据并行中有两个主要通信操作：all-gather操作和reduce-scatter操作。在3D并行中，单个设备可能承载多个模型块。重叠是基于模型块实现的，以最大化带宽利用。all-gather操作在模型块的前向传递之前触发，reduce-scatter操作在它的后向传递之后开始。这导致第一个all-gather操作和最后一个reduce-scatter操作无法隐藏。受到PyTorch FSDP的启发，初始的all-gather操作在每次迭代的开始时被预取，允许它与数据加载操作重叠，有效地将减少了通信时间。
MegaScale在流水线并行中，运用独特的交错1F1B调度方法，有效重叠通信，提升效率。热身阶段，前向传递摆脱了对先前接收的依赖，实现发送与接收的解耦，使发送操作与计算并行进行。在张量/序列并行方面，我们采取融合通信与计算等创新策略，更将GEMM内核精细划分，与通信流程协同流水线执行，最大化提升并行性能。
高效操作符
MegatronLM虽然已优化GEMM操作符，但其他操作符仍有待增强。注意力部分采用FlashAttention-2，优化了线程块和warp间的工作分配。LayerNorm和GeLU由细粒度内核构成，通过融合这些内核，减少了启动多个内核的开销，优化了内存访问模式，从而显著提升性能。我们致力于深入挖掘各操作符的潜力，力求在MegatronLM中实现更出色的整体性能。
数据流水线优化
数据预处理与加载虽常被忽略，却在训练之初引发显著的GPU空闲。优化这些关键步骤，对于提升训练效率至关重要，不容忽视，是确保模型性能优化的关键环节。
异步数据预处理能够优化计算流程，使数据预处理与GPU工作器同步梯度互不干扰。在训练步骤间隙，预处理工作悄然进行，巧妙隐藏了开销，提升了整体训练效率。
消除冗余数据加载器。在分布式训练的典型数据加载阶段，每个GPU工作器都配备了自己的数据加载器，负责将训练数据读入CPU内存，然后转发到GPU。这导致工作线程之间为争夺磁盘读取带宽，因此产生了瓶颈。我们观察到，在LLM训练设置中，同一台机器内的GPU工作器处于相同的张量并行组。因此，它们每次迭代的输入本质上是相同的。基于这一观察，我们采用了两层树状的方法，在每台机器上使用一个专用的数据加载器将训练数据读入共享内存。随后，每个GPU工作器负责将必要的数据复制到自己的GPU内存中。这就消除了冗余读取，并显著提高了数据传输的效率。
集体通信群初始化
在分布式训练中，初始化阶段需构建GPU工作器间的NVIDIA集体通信库（NCCL）通信组。小规模场景下，此开销微不足道，故常选torch.distributed。然而，当GPU数量飙升破万，传统方法的开销骤增，变得不堪重负。因此，高效优化分布式训练初始化阶段，对于大规模GPU集群的性能提升至关重要。
torch.distributed初始化耗时过久，主要有两大原因。其一，同步步骤中的每个进程在完成特定通信组初始化后，均需执行屏障操作，而此操作基于TCPStore，采用单线程、阻塞的读写模式。为解决这一问题，我们可以采用非阻塞、异步的Redis来替代TCPStore。其二，全局屏障的不当使用也是导致耗时过长的因素之一。在初始化通信组后，每个进程均会执行全局屏障操作。为改善此情况，我们优化了通信组的初始化顺序，减少了全局屏障的使用频率，从而大幅降低了初始化时间复杂度。
未经优化的2048张GPU集群初始化需1047秒，经优化后骤减至5秒内；万卡GPU集群的初始化时间更是锐减至30秒以下，显著提升集群性能，加速计算效率。
网络性能调优
经过对3D并行中机器间流量的深入分析，我们精心设计了技术方案，旨在优化网络性能。方案涵盖网络拓扑优化、ECMP哈希冲突减少、高效拥塞控制及重传超时精准设置，全面提升网络效能。
我们的数据中心网络采用了Broadcom Tomahawk 4芯片构建的高性能交换机，每颗芯片总带宽高达25.6Tbps，拥有64×400Gbps端口。通过CLOS类似的三层交换机拓扑连接，轻松驾驭超过10000个GPU的庞大规模。每层交换机实现1:1的下行与上行链路带宽比，即32端口下行，32端口上行，确保数据流畅无阻。该网络设计精巧，直径小，带宽高，每个节点均可在极短的跳数内与其他节点畅通交流，为数据的高效传输提供有力保障。
我们专注于优化网络性能，通过精心设计网络拓扑与精准调度网络流量，显著减少ECMP哈希冲突。创新性地，在机架ToR交换机上将上行与下行链路分离，并将400G下行链路端口巧妙地通过特定AOC电缆划分为两个200G端口，这一举措有效降低了冲突率，提升了网络整体效率。
在分布式训练中，大规模应用默认的DCQCN协议时，all-to-all通信常引发拥塞，导致PFC级别攀升，过度使用更可能诱发头部阻塞（HoL），从而大幅削减网络吞吐量。为解决此问题，我们精心研发了一种融合Swift与DCQCN精髓的算法。该算法巧妙结合往返时间（RTT）的精准测量与显式拥塞通知（ECN）的迅速响应，不仅大幅提升了吞吐量，更是有效降低了与PFC相关的拥塞现象，为分布式训练中的网络通信保驾护航。
重传超时设置是NCCL中的关键参数，能够灵活控制重传定时器和重试次数。我们针对链路抖动，精细调整这些参数，确保快速恢复。同时，NIC上的adap_retrans功能进一步助力，支持更短间隔内的重传，尤其在抖动周期短时，能显著加速传输恢复，保障数据传输的高效稳定。
03 容错性
随着训练集群规模迅速扩大至数万GPU，软硬件故障频发成常态。我们针对LLM训练，精心打造了一个强健的训练框架，可自动识别故障并迅速恢复，实现高效容错，最大程度减少人为干预与对训练任务的影响，确保训练持续稳定进行。
如图所示，一旦接收到训练任务，驱动程序进程便与自定义Kubernetes接口高效互动，精准分配计算资源，并为每个执行器迅速启动相应的Pod。执行器独立管理单个节点，初始化完成后，它会在每个GPU上迅速创建训练进程，并启动一个强大的训练守护进程。该进程定时向驱动程序发送heartbeat，确保实时异常检测与预警。一旦检测到异常或预定时间内未收到状态报告，故障恢复程序将立即启动，暂停所有训练任务，并指令它们进行自我检查诊断，确保系统稳定高效运行。
一旦识别出问题节点，驱动程序会迅速向Kubernetes提交相关IP地址及运行的Pod信息，Kubernetes随即驱逐故障节点，无缝切换至健康节点。同时，我们还提供直观的用户界面，便于手动清除问题节点。训练恢复时，驱动程序从最新checkpoint无缝衔接，我们对此过程进行了深度优化，以最大程度减少训练进度的损失，确保系统稳定高效运行。
为强化训练稳定性与性能监控，我们精心研发毫秒级精度监控系统，通过多级监控精准追踪各项指标。同时，分享checkpoint快速恢复、训练故障排查及MegaScale部署运营的实战经验。渴望深入探索的读者，可下载论文，一窥究竟。诚邀您共襄盛举，共创智能未来！
04 结论
本文深度剖析MegaScale的设计、实现及部署流程。它采用算法与系统协同设计策略，显著提升训练效率。在12288个GPU上训练175B LLM模型时，MegaScale实现了高达55.2%的MFU，相比Megatron-LM，性能提升达1.34倍。MegaScale展现出的卓越性能，无疑将引领大规模模型训练的新篇章。
我们专注于打造具备容错能力的训练流程，特此推出定制的健壮训练框架，能够智能定位并修复故障。同时，我们提供了一套全面的监控工具，深入洞察系统组件与事件，助力精准识别复杂异常的根源。我们的工作旨在为LLM训练者提供宝贵见解，并为这一迅猛发展的领域探索未来研究之路，奠定坚实基础。
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