LLMs之Framework：Hugging Face Accelerate后端框架之FSDP和DeepSpeed的对比与分析

LLMs之Framework：Hugging Face Accelerate后端框架之FSDP和DeepSpeed的对比与分析

导读：该文章阐述了FSDP和DeepSpeed在实现上的差异，Accelerate如何统一它们的行为，并提供指导帮助用户在两种后端之间切换。同时也讨论了低精度优化的内存与收敛权衡。

背景痛点：DeepSpeed和PyTorch FSDP是两种流行的ZeRO Redundancy Optimizer(Zero)算法实现，在模型训练过程中可能会产生不同的结果。DeepSpeed和FSDP处理混合精度的方式不同，导致在相同的学习率下收敛表现有差异。

解决方案：

>> 在Hugging Face Accelerate中同时支持DeepSpeed和FSDP后端。

>> 针对FSDP新增了"mixed-precision"模式，以与DeepSpeed保持一致，同时也保留了原有的低精度模式。

>> 新增概念指南，帮助用户在DeepSpeed和FSDP之间无缝切换。

核心思路步骤：

>> 发现问题根源在于DeepSpeed总是在内部将权重参数升级为FP32精度，而FSDP遵循PyTorch默认行为。

>> DeepSpeed由于内部升精度，会在低精度下出现不收敛的情况。

>> 新增FSDP的mixed-precision模式，在优化器步骤前也将参数升级为FP32。

>> 提供指南，介绍如何在DeepSpeed和FSDP间切换，配置分片策略、权重预取等。

优势：

>> 统一了DeepSpeed和FSDP在Accelerate中的表现，提供了可选的高低精度模式。

>> 指南让用户可以顺畅切换不同后端，充分利用两种方案的优势。

>> 为大规模对齐任务等提供了更好的性能和灵活性选择。

目录

Hugging Face Accelerate后端框架之FSDP和DeepSpeed的对比与分析

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《A Hugging Face Accelerate Story of Multiple Backends: FSDP and DeepSpeed》的翻译与解读

核心要点梳理：DeepSpeed对比FSDP

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Hugging Face Accelerate后端框架之FSDP和DeepSpeed的对比与分析

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《A Hugging Face Accelerate Story of Multiple Backends: FSDP and DeepSpeed》的翻译与解读

地址	论文地址：https://huggingface.co/blog/deepspeed-to-fsdp-and-back
时间	2024年6月13日
作者	Yu Chin Fabian、aldo pareja、Zachary Mueller、Stas Bekman
总结	总的来说，该文章阐述了FSDP和DeepSpeed在实现上的差异，Accelerate如何统一它们的行为，并提供指导帮助用户在两种后端之间切换。同时也讨论了低精度优化的内存与收敛权衡。

核心要点梳理：DeepSpeed对比FSDP

框架差异	DeepSpeed 和 FSDP 是两种流行的优化器分片(ZeRO算法)实现，各自有不同的精度处理方式。DeepSpeed 默认在 fp32 精度下操作，FSDP 更灵活，可以选择更低的精度。 DeepSpeed 和 PyTorch 中的 FSDP 是社区中两种流行的 ZeRO Redundancy Optimizer (Zero) 算法实现，用于分布式训练大型模型。Hugging Face Accelerate 允同时支持这两个框架之间无缝切换。
是否可互换	DeepSpeed 和 FSDP 在损失收敛上有明显差异，造成差异的原因在于精度处理不同。可以通过调整学习率可改善 FSDP 表现。 在实验中，使用 Mistral-7B 模型进行训练时，DeepSpeed 的损失收敛良好，而 FSDP 的损失没有减少，收敛效果较差。通过将学习率根据 GPU 数量进行调整，FSDP 的表现有所改善。
精度问题	DeepSpeed 使用 fp32，FSDP 允许低精度操作。 DeepSpeed 内部使用全精度（fp32）进行优化，这可能导致在低精度下不收敛的问题。FSDP 不强制使用全精度，允许在低精度(如BF16)下操作，从而提供了更大的灵活性。 DeepSpeed 内部总是将参数提升到 fp32 进行计算，这在小规模 GPU 环境中可能增加内存消耗。FSDP 则允许使用低精度操作，更适合内存受限的场景，但收敛可能较慢。DeepSpeed 的upcasting方式则收敛更快，但内存开销较大。
协调改进	FSDP 在 Accelerate 中增加了自动提升精度功能，支持混合精度和低精度模式。 为了更好协调 DeepSpeed 和 FSDP ，Hugging Face Accelerate 为 FSDP 增加了自动提升精度的功能。FSDP 现在可以在“混合精度”和“低精度”两种模式下操作。 为统一两种后端，Hugging Face Accelerate为FSDP 引入了"混合精度"模式，与DeepSpeed 行为一致，在FP32上进行优化。 因此Accelerate下FSDP 有两种模式： >> 默认低精度模式，参数保持载入精度(如BF16)，内存占用少； >> 混合精度模式，参数在FP32上优化，行为与DeepSpeed 一致；
性能对比	FSDP 和 DeepSpeed 在 IBM Granite 7B 上表现相似，处理速度和效率接近。 使用 IBM Granite 7B 模型进行吞吐量比较，FSDP 和 DeepSpeed 的表现相似。 在四个 A100 GPU 上进行测试，FSDP 和 DeepSpeed 的每秒处理的 token 数量和模型 FLOP 利用率相近。
结论与思考	提供迁移指南，通过配置文件可在两个框架间切换。 Hugging Face Accelerate提供了帮助用户在两个框架之间迁移的概念指南。通过修改 Accelerate 配置文件，可以轻松在 FSDP 和 DeepSpeed 之间切换。 Accelerate提供了新的概念指南，帮助用户在两种后端之间迁移，包括分片策略、模型加载、权重预取等。通过Accelerate的命令行和插件类，可以轻松切换FSDP 和DeepSpeed 后端。