教案：Horovod v0.2 介绍与使用

课程目标

1. 了解Horovod的主要功能和优势。
2. 学习如何安装和配置Horovod。
3. 掌握Horovod在分布式训练中的应用。

教学内容

1. Horovod的简介和动机

   • 动机
     • 使单GPU训练脚本轻松扩展到多GPU训练。
     • 尽量减少代码修改以实现分布式训练。
     • 内部采用MPI模型，代码变动较少，性能优异。
   • 性能
     • 在128台服务器，512个GPU上进行的测试显示高效的扩展性能。
     • Inception V3和ResNet-101达到了90%的扩展效率，VGG-16达到了68%。

2. Horovod的安装

   • 基本安装步骤
     • 安装CMake。
     • 安装合适版本的g++。
     • 安装horovod pip包：

       pip install horovod
       

     • 安装NCCL以支持GPU：

       HOROVOD_GPU_OPERATIONS=NCCL pip install horovod
       

   • 其他安装选项
     • 使用MPI，Conda，Docker等环境安装Horovod。

3. 核心概念

   • 基于MPI的核心原理：size, rank, local rank, allreduce, allgather, broadcast, alltoall等。

4. 支持的框架

   • TensorFlow, Keras, PyTorch, MXNet等。

5. Horovod的使用

   • 初始化

     import horovod.tensorflow as hvd
     hvd.init()
     

   • GPU分配

     config = tf.ConfigProto()
     config.gpu_options.visible_device_list = str(hvd.local_rank())
     

   • 调整学习率

     opt = tf.train.AdagradOptimizer(0.01 * hvd.size())
     

   • 封装优化器

     opt = hvd.DistributedOptimizer(opt)
     

   • 广播变量

     hooks = [hvd.BroadcastGlobalVariablesHook(0)]
     

   • 保存检查点

     checkpoint_dir = '/tmp/train_logs' if hvd.rank() == 0 else None
     

6. 运行Horovod

   • 本地运行

     horovodrun -np 4 -H localhost:4 python train.py
     

   • 多机运行

     horovodrun -np 16 -H server1:4,server2:4,server3:4,server4:4 python train.py
     

   • 其他运行环境
     • Open MPI, Docker, Kubernetes, Spark, Ray, Singularity, LSF HPC cluster, Hadoop Yarn等。

7. Gloo和mpi4py支持

   • Gloo

     horovodrun --gloo -np 2 python train.py
     

   • mpi4py

     from mpi4py import MPI
     import horovod.tensorflow as hvd
     hvd.init()
     assert hvd.mpi_threads_supported()
     

8. 性能优化

   • Tensor Fusion
   • Horovod Timeline
   • 自动性能调优

教学活动

1. 讲解和讨论

   • 介绍Horovod的背景、动机和核心概念。
   • 通过实际例子展示如何使用Horovod进行分布式训练。

2. 动手实践

   • 学生按照安装步骤在自己的环境中安装Horovod。
   • 修改现有的训练脚本以使用Horovod进行分布式训练。

3. 性能测试和优化

   • 学生在多GPU环境中运行修改后的训练脚本。
   • 测试和分析Horovod的性能，进行性能调优。

课后作业

1. 安装和配置

   • 安装Horovod，并在单机多GPU环境中进行测试。

2. 代码修改

   • 将现有的单GPU训练脚本修改为Horovod分布式训练脚本。

3. 性能分析

   • 运行修改后的训练脚本，记录和分析训练性能，并使用Horovod的调优工具进行优化。

参考资料

• Horovod官方文档
• Horovod在不同框架中的使用示例

通过本次课程，学生将掌握Horovod的基本概念和使用方法，能够将单GPU训练脚本扩展到多GPU环境，并进行性能优化。