由于采用了多攝像頭輸入和深度卷積骨干網(wǎng)絡(luò)，用于訓(xùn)練自動(dòng)駕駛感知模型的 GPU 內(nèi)存占用很大。當(dāng)前減少內(nèi)存占用的方法往往會(huì)導(dǎo)致額外的計(jì)算開銷或工作負(fù)載的失衡。

本文介紹了 NVIDIA 和智能電動(dòng)汽車開發(fā)商蔚來的聯(lián)合研究。具體來說，文中探討了張量并行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）訓(xùn)練如何有助于減少 GPU 內(nèi)存占用，并展示了蔚來如何提高自動(dòng)駕駛汽車感知模型的訓(xùn)練效率和 GPU 利用率。

自動(dòng)駕駛的感知模型訓(xùn)練

自動(dòng)駕駛感知任務(wù)采用多攝像頭數(shù)據(jù)作為輸入，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）作為骨干（backbone）來提取特征。由于 CNN 的前向激活值（activations）都是形狀為(N, C, H, W)的特征圖（feature maps）（其中 N、C、H、W 分別代表圖像數(shù)、通道數(shù)、高度和寬度）。這些激活值需要被保存下來用于反向傳播，因此骨干網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練通常會(huì)占據(jù)顯著的內(nèi)存大小。

例如，有 6 路相機(jī)以 RGB 格式輸入分辨率為 720p 的圖像，批大小（batchsize）設(shè)置為 1，那么骨干網(wǎng)絡(luò)的輸入形狀為(6, 3, 720, 1280)。對(duì)于如 RegNet 或 ConvNeXt 這樣的骨干網(wǎng)絡(luò)而言，激活值的內(nèi)存占用是遠(yuǎn)大于模型權(quán)重和優(yōu)化器狀態(tài)的內(nèi)存占用的，并且可能會(huì)超出 GPU 的內(nèi)存大小限制。

蔚來汽車自動(dòng)駕駛團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域的研究表明，使用更深的模型和更高的圖像分辨率可以顯著提高感知精度，尤其是對(duì)尺寸小和距離遠(yuǎn)的目標(biāo)的識(shí)別；同時(shí)，蔚來 Aquila 超感系統(tǒng)搭載 11 個(gè) 800 萬像素高清攝像頭，每秒可產(chǎn)生 8GB 圖像數(shù)據(jù)。

GPU 內(nèi)存優(yōu)化需求

深度模型和高分辨率輸入對(duì)于 GPU 內(nèi)存優(yōu)化提出了更高的要求。當(dāng)前解決激活值 GPU 內(nèi)存占用過大的技術(shù)有梯度檢查點(diǎn)（gradient checkpointing），即在前向傳播的過程中，只保留部分層的激活值。而對(duì)于其他層的激活值，則在反向傳播的時(shí)候重新計(jì)算。

這樣可以節(jié)省一定的 GPU 內(nèi)存，但會(huì)增加計(jì)算的開銷，拖慢模型訓(xùn)練。此外，設(shè)置梯度檢查點(diǎn)通常需要開發(fā)者根據(jù)模型結(jié)構(gòu)來選擇和調(diào)試，這給模型訓(xùn)練過程引入了額外的代價(jià)。

蔚來還使用了流水線并行技術(shù)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照 GPU 內(nèi)存開銷進(jìn)行平均分段，部署到多個(gè) GPU 上進(jìn)行訓(xùn)練。此方法雖然將存儲(chǔ)需求平分到多個(gè) GPU 上，但是因?yàn)橛?jì)算不平衡，會(huì)導(dǎo)致明顯的 GPU 間負(fù)載不均衡現(xiàn)象，一些 GPU 的計(jì)算資源無法被充分利用。

基于 PyTorch DTensor 的張量并行 CNN 訓(xùn)練

綜合考慮以上因素，NVIDIA 和蔚來合作設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了張量并行（Tensor Parallel）卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方案，將輸入值和中間激活值切分到多個(gè) GPU 上。而對(duì)于模型權(quán)重和優(yōu)化器狀態(tài)，我們采用和數(shù)據(jù)并行訓(xùn)練相同的策略，將其復(fù)制到各個(gè) GPU 上。該方法能夠降低對(duì)單個(gè) GPU 的內(nèi)存占用和帶寬壓力。

PyTorch 2.0 中引入的 DTensor 提供了一系列原語（primitives）來表達(dá)張量的分布如切片（sharding）和重復(fù)（replication），使用戶能夠方便地進(jìn)行分布式計(jì)算而無需顯式調(diào)用通信算子，因?yàn)?DTensor 的底層實(shí)現(xiàn)已經(jīng)封裝了通信庫，如 NVIDIA 集合通信庫 (NCCL)。

有了 DTensor 的抽象，用戶可以方便地搭建各種并行訓(xùn)練策略，如張量并行（Tensor Parallel），分布式數(shù)據(jù)并行（Distributed Data Parallel）和完全切片數(shù)據(jù)并行（Fully Sharded Data Parallel）。

實(shí)現(xiàn)

以用于視覺任務(wù)的 CNN 模型 ConvNeXt-XL 為例，我們將展示 Tensor Parallel 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)。DTensor 放置方式如下：

模型參數(shù)：Replicate

重復(fù)放置在各個(gè) GPU 上，模型包含 3.50 億個(gè)參數(shù)，以 FP32 存儲(chǔ)時(shí)占據(jù) 1.4GB GPU 內(nèi)存。

模型輸入：Shard(3)

切分（N, C, H, W）的 W 維度，將輸入分片放到各個(gè) GPU 上。例如，在 4 個(gè) GPU 上對(duì)形狀為(7, 3, 512, 2048) 的輸入執(zhí)行 Shard(3) 會(huì)生成四個(gè)切片，形狀為 (7, 3, 512, 512)。

激活值：Shard(3)

切分（N, C, H, W）的 W 維度，將激活值分片放在各個(gè) GPU 上

模型參數(shù)的梯度：Replicate

重復(fù)放置在各個(gè) GPU 上。

優(yōu)化器狀態(tài)：Replicate

重復(fù)放置在各個(gè) GPU 上。

上述配置可以通過 DTensor 提供的 API 來實(shí)現(xiàn)，且用戶只需指明模型參數(shù)和模型輸入的放置方式，其他張量的放置方式會(huì)自動(dòng)生成。

而要達(dá)成張量并行的訓(xùn)練，我們需要給卷積算子 aten.convolution 和 aten.convolution_backward 注冊(cè)傳播規(guī)則，這將根據(jù)輸入 DTensor 的放置方式來確定輸出 DTensor 的放置方式：

aten.convolution

Input 放置方式為 Shard(3)，weight 和 bias 放置方式為 Replicate，output 放置方式為 Shard(3)

aten.convolution_backward

grad_output 放置方式為 Shard(3)，weight和 bias 放置方式為 Replicate，grad_input 放置方式為 Shard(3)，grad_weight 和 grad_bias 方式方式為 _Partial

放置方式為 _Partial 的 DTensor，在使用其數(shù)值時(shí)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行規(guī)約操作，默認(rèn)規(guī)約算子為求和。

接下來，我們便要給出張量并行的卷積算子前向和反向的實(shí)現(xiàn)。由于將激活值切分到了多個(gè) GPU 上，1 個(gè) GPU 上的本地卷積可能需要相鄰 GPU 上激活值的邊緣數(shù)據(jù)，這就需要 GPU 之間進(jìn)行通信。在 ConvNeXt-XL 模型中，其降采樣層的卷積不存在該問題，而 Block 中的逐深度卷積則需要處理該問題。

如果無需交換數(shù)據(jù)，用戶可以直接調(diào)用卷積的前向和反向算子，傳入本地張量即可。如果需要交換本地激活值張量邊緣數(shù)據(jù)，則使用如圖 1 和圖 2 所示的卷積前向算法和反向算法，省略了圖中的 N 和 C 維度，并假設(shè)卷積核大小為 5x5，padding 為 2，stride 為 1。

圖 1 張量并行卷積前向算法示意圖

如圖 1 所示，當(dāng)卷積核大小為 5x5，padding 為 2，stride 為 1 時(shí)，每個(gè) GPU 上的本地 input 都需要取用相鄰 GPU 的寬度為 2 的輸入邊緣，并將收到的邊緣數(shù)據(jù)拼接到自身上。換句話說，需要 GPU 間的通信來確保張量并行卷積的正確性。這種數(shù)據(jù)交換，可以通過調(diào)用 PyTorch 封裝的 NCCL 發(fā)送接受通信算子來實(shí)現(xiàn)。

值得一提的是，在多個(gè) GPU 上存在激活切片時(shí)，卷積算子的有些 padding 是不需要的。因此本地卷積前向傳播完成后，需要切除 output 中由不需要的 padding 引入的無效像素，如圖 1 中的藍(lán)色條所示。

圖 2 顯示了張量并行卷積的反向傳播。首先，在梯度輸出上應(yīng)用 zero padding，這與前向傳播過程中的輸出切除操作相對(duì)應(yīng)。對(duì)本地輸入同樣要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、拼接和 padding 操作。

之后，通過調(diào)用每個(gè) GPU 上的卷積反向算子，即可獲得權(quán)重梯度、偏置梯度和梯度輸入。

圖 2 張量并行卷積反向傳播工作流程

權(quán)重梯度和偏置梯度的 DTensor 放置方式是 _Partial，因此使用時(shí)會(huì)自動(dòng)對(duì)它們的值進(jìn)行多 GPU 規(guī)約操作。梯度輸入的 DTensor 放置方式是 Shard(3)。

最后，本地梯度輸入的邊緣像素會(huì)被發(fā)送到鄰近 GPU 并在相應(yīng)位置累積，如圖 2 中的橙色條所示。

除了卷積層之外，ConvNeXt-XL 還有一些層需要處理以支持張量并行訓(xùn)練。例如我們需要為 DropPath 層使用的 aten.bernoulli 算子傳播規(guī)則。該算子應(yīng)被置于隨機(jī)數(shù)生成追蹤器的分布式區(qū)域內(nèi)，以保證各個(gè) GPU 上的一致性。

所有代碼已經(jīng)并入了 PyTorch GitHub repo 的主分支，用戶使用時(shí)直接調(diào)用 DTensor 的上層 API 便可實(shí)現(xiàn)張量并行的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。

使用張量并行訓(xùn)練 ConvNeXt 的基準(zhǔn)效果

我們?cè)?NVIDIA DGX AI 平臺(tái)上進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試，研究 ConvNeXt-XL 訓(xùn)練的速度和 GPU 內(nèi)存占用。梯度檢查點(diǎn)技術(shù)和 DTensor 是兼容的，并且結(jié)合兩項(xiàng)技術(shù)，GPU 的內(nèi)存占用能夠更顯著地降低。

測(cè)試的基線是在 1 個(gè) NVIDIA GPU 上使用 PyTorch 原生 Tensor，輸入大小為(7, 3, 512, 1024)時(shí)的結(jié)果：不使用梯度檢查點(diǎn)時(shí) GPU 內(nèi)存占用為 43.28 GiB，一次訓(xùn)練迭代時(shí)間為 723 ms；使用梯度檢查點(diǎn)時(shí) GPU 內(nèi)存占用為 11.89 GiB，一次訓(xùn)練迭代時(shí)間為 934 ms。

全部測(cè)試結(jié)果如圖 3 和圖 4 所示：全局輸入形狀為 (7，3，512，W)，其中 W 從 1024 到 8192 不等。實(shí)線為未使用梯度檢查點(diǎn)時(shí)的結(jié)果，虛線為使用梯度檢查點(diǎn)時(shí)的結(jié)果。

圖 3 各種測(cè)試條件下的 GPU 內(nèi)存占用

圖 4 各種測(cè)試條件下一次訓(xùn)練迭代耗時(shí)

如圖 3 所示，使用 DTensor 切分激活值可以有效降低 ConvNeXt-XL 訓(xùn)練的 GPU 內(nèi)存占用，并且同時(shí)使用 DTensor 和梯度檢查點(diǎn)，ConvNeXt-XL 訓(xùn)練的 GPU 內(nèi)存占用可以降到很低的水平。如圖 4 所示，張量并行方法有很好的弱擴(kuò)展性；在問題規(guī)模足夠大時(shí)，也有不錯(cuò)的強(qiáng)擴(kuò)展性。下面是不使用梯度檢查點(diǎn)時(shí)的擴(kuò)展性：

全局輸入(7, 3, 512, 2048)給 2 個(gè) GPU 時(shí)，一次迭代時(shí)間為 937 ms

全局輸入(7, 3, 512, 4096)給 4 個(gè) GPU 時(shí)，一次迭代時(shí)間為 952 ms

全局輸入(7, 3, 512, 4096)給 8 個(gè) GPU 時(shí)，一次迭代時(shí)間為 647 ms

結(jié)論

蔚來自動(dòng)駕駛開發(fā)平臺(tái)（NADP）是蔚來專門用于研發(fā)核心自動(dòng)駕駛服務(wù)的平臺(tái)。該平臺(tái)可提供高性能計(jì)算和全鏈工具，用來處理每天成千上萬的日常推理和訓(xùn)練任務(wù)，以確保主動(dòng)安全和駕駛輔助功能的持續(xù)演進(jìn)。使用 DTensor 實(shí)現(xiàn)的張量并行 CNN 訓(xùn)練能夠有效提高 NADP 上的訓(xùn)練效率。

該關(guān)鍵性的方案使得 NADP 能夠進(jìn)行萬卡規(guī)模的并行計(jì)算，它提高了對(duì) GPU 的利用率，降低了訓(xùn)練模型的成本，支持了更靈活的模型結(jié)構(gòu)。基準(zhǔn)測(cè)試顯示，在蔚來自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下，該方法表現(xiàn)良好，有效解決了視覺大模型的訓(xùn)練難題。

基于 PyTorch DTensor 的張量并行 CNN 訓(xùn)練可顯著減少內(nèi)存占用并保持良好的可擴(kuò)展性。我們預(yù)計(jì)該方法將充分利用多個(gè) GPU 的算力和互連功能，使感知模型訓(xùn)練更加普及。

審核編輯：劉清