PyTorch混合精度訓(xùn)練：每個(gè)人必須要知道的事情
點(diǎn)藍(lán)色字關(guān)注“機(jī)器學(xué)習(xí)算法工程師”
設(shè)為星標(biāo)，干貨直達(dá)！
現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效訓(xùn)練通常依賴于使用較低精度的數(shù)據(jù)類型。在A100 GPU 上，采用float16的矩陣乘法和卷積的峰值性能要比f(wàn)loat32快 16 倍。由于 float16 和 bfloat16 數(shù)據(jù)類型的大小只有 float32 的一半，因此它們可以將帶寬受限內(nèi)核的性能提高一倍，并減少訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)所需的內(nèi)存，從而允許更大的模型、更大的批次或更大的輸入。使用像 torch.amp（Automated Mixed Precision）這樣的模塊可以輕松獲得較低精度數(shù)據(jù)類型的速度和內(nèi)存使用優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)的收斂行為。
更快和使用更少的內(nèi)存總是有利的——深度學(xué)習(xí)從業(yè)者可以測(cè)試更多的模型架構(gòu)和超參數(shù)，并且可以訓(xùn)練更大、更強(qiáng)大的模型。訓(xùn)練非常大的模型，例如 Narayanan 等人描述的模型（https://arxiv.org/pdf/2104.04473.pdf）和布朗等人提出的模型（GPT-3，https://arxiv.org/pdf/2005.14165.pdf，即使使用專家手寫(xiě)優(yōu)化也需要數(shù)以千計(jì)的 GPU 進(jìn)行訓(xùn)練），在不使用混合精度的情況下是不可行的。
我們之前的文章（https://pytorch.org/blog/accelerating-training-on-nvidia-gpus-with-pytorch-automatic-mixed-precision/，https://docs.nvidia.com/deeplearning/performance/mixed-precision-training/index.html，https://developer.nvidia.com/automatic-mixed-precision）討論過(guò)混合精度技術(shù)，如果您不熟悉混合精度，這篇博文是對(duì)這些技術(shù)的總結(jié)和介紹。
混合精度訓(xùn)練實(shí)踐
混合精度訓(xùn)練技術(shù)——使用較低精度的 float16 或 bfloat16 數(shù)據(jù)類型以及 float32 數(shù)據(jù)類型——具有廣泛的適用性和有效性。請(qǐng)參閱圖 1 以了解以混合精度成功訓(xùn)練的模型結(jié)構(gòu)（包括圖像，語(yǔ)音以及文本等各個(gè)領(lǐng)域），圖 2 和圖 3 是使用 torch.amp 的示例加速對(duì)比。
有關(guān)更多示例混合精度工作負(fù)載，請(qǐng)參閱 NVIDIA 深度學(xué)習(xí)示例存儲(chǔ)庫(kù)（https://github.com/NVIDIA/DeepLearningExamples）。
在 3D 醫(yī)學(xué)圖像分析、凝視估計(jì)、視頻合成、條件 GAN 和卷積 LSTM 中可以看到類似的性能圖表。黃等人的對(duì)比實(shí)驗(yàn)（https://pytorch.org/blog/accelerating-training-on-nvidia-gpus-with-pytorch-automatic-mixed-precision/）表明混合精度訓(xùn)練在 V100 GPU 上比 float32 快 1.5 到 5.5 倍，在 A100 GPU 上可以再快 1.3 到 2.5 倍。在非常大的網(wǎng)絡(luò)上，對(duì)混合精度的需求更加明顯。https://arxiv.org/pdf/2104.04473.pdf這個(gè)報(bào)告稱在 1024 個(gè) A100 GPU（批量大小為 1536）上訓(xùn)練 GPT-3 175B 需要 34 天，但使用 float32 估計(jì)需要一年多的時(shí)間！
使用torch.amp進(jìn)行混合精度訓(xùn)練
Torch.amp 在 PyTorch 1.6 中引入，使用 float16 或 bfloat16 類型可以輕松利用混合精度訓(xùn)練。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱此博客文章（https://pytorch.org/blog/accelerating-training-on-nvidia-gpus-with-pytorch-automatic-mixed-precision/）、教程（https://pytorch.org/tutorials/recipes/recipes/amp_recipe.html）和文檔（https://pytorch.org/docs/master/amp.html）。下面顯示了將具有漸變縮放功能的 AMP 應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)的示例。
import torch
# Creates once at the beginning of training
scaler = torch.cuda.amp.GradScaler()
for data, label in data_iter:
optimizer.zero_grad()
# Casts operations to mixed precision
with torch.amp.autocast(device_type=“cuda”, dtype=torch.float16):
loss = model(data)
# Scales the loss, and calls backward()
# to create scaled gradients
scaler.scale(loss).backward()
# Unscales gradients and calls
# or skips optimizer.step()
scaler.step(optimizer)
# Updates the scale for next iteration
scaler.update()
選擇正確的方法
使用 float16 或 bfloat16 的開(kāi)箱即用混合精度訓(xùn)練可有效加速許多深度學(xué)習(xí)模型的收斂，但某些模型可能需要更仔細(xì)的數(shù)值精度管理。以下是一些選項(xiàng)：
完整的 float32 精度。默認(rèn)情況下，浮點(diǎn)張量和模塊在 PyTorch 中以 float32 精度創(chuàng)建，但這是一個(gè)歷史性的產(chǎn)物，不能代表訓(xùn)練大多數(shù)現(xiàn)代深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)很少需要這么高的數(shù)值精度。
啟用 TensorFloat32 (TF32) 模式。在 Ampere 和更高版本的 CUDA 設(shè)備上，矩陣乘法和卷積可以使用 TensorFloat32 (TF32) 模式進(jìn)行更快但精度稍低的計(jì)算。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱使用 NVIDIA TF32 Tensor Cores 博客文章（https://developer.nvidia.com/blog/accelerating-ai-training-with-tf32-tensor-cores/）加速 AI 訓(xùn)練。默認(rèn)情況下，PyTorch 為卷積啟用 TF32 模式，但不為矩陣乘法啟用，除非網(wǎng)絡(luò)需要完整的 float32 精度，否則我們建議也為矩陣乘法啟用此設(shè)置（有關(guān)如何執(zhí)行此操作，請(qǐng)參閱此處的文檔：https://pytorch.org/docs/master/generated/torch.set_float32_matmul_precision）。它可以顯著加快計(jì)算速度，而數(shù)值精度的損失通?？梢院雎圆挥?jì)。
將 torch.amp 與 bfloat16 或 float16 一起使用。這兩種低精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型通常都比較快，但有些網(wǎng)絡(luò)可能只收斂于其中一個(gè)。如果網(wǎng)絡(luò)需要更高的精度，則可能需要使用 float16，如果網(wǎng)絡(luò)需要更大的動(dòng)態(tài)范圍，則可能需要使用 bfloat16，其動(dòng)態(tài)范圍等于 float32。例如，如果觀察到溢出，那么我們建議嘗試 bfloat16。
還有比這里介紹的更高級(jí)的選項(xiàng)，例如僅對(duì)模型的一部分使用 torch.amp 的自動(dòng)鑄造，或直接管理混合精度。這些主題在很大程度上超出了本博文的范圍，但請(qǐng)參閱下面的“最佳實(shí)踐”部分。
最佳實(shí)踐
我們強(qiáng)烈建議在訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)時(shí)盡可能將混合精度與 torch.amp 或 TF32 模式（在 Ampere 和更高版本的 CUDA 設(shè)備上）結(jié)合使用。但是，如果其中一種方法不起作用，我們建議以下方法：
高性能計(jì)算 (HPC) 應(yīng)用程序、回歸任務(wù)和生成網(wǎng)絡(luò)可能只需要完整的 float32 IEEE 精度即可按預(yù)期收斂。
嘗試有選擇地應(yīng)用 torch.amp。特別是，我們建議首先在從 torch.linalg 模塊執(zhí)行操作的區(qū)域或在進(jìn)行預(yù)處理或后處理時(shí)禁用它。這些操作通常特別敏感。請(qǐng)注意，TF32 模式是一個(gè)全局開(kāi)關(guān)，不能在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域有選擇地使用。首先啟用 TF32 以檢查網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商是否對(duì)該模式敏感，否則禁用它。
如果您在使用 torch.amp 時(shí)遇到類型不匹配，我們不建議您在開(kāi)始時(shí)插入手動(dòng)轉(zhuǎn)換。此錯(cuò)誤表明網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題，通常值得首先調(diào)查。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定您的網(wǎng)絡(luò)是否對(duì)格式的范圍和/或精度敏感。例如，在 float16 中微調(diào) bfloat16 預(yù)訓(xùn)練模型很容易在 float16 中遇到范圍問(wèn)題，因?yàn)樵?bfloat16 中訓(xùn)練的范圍可能很大，因此如果模型是在 bfloat16 中訓(xùn)練的，用戶應(yīng)該堅(jiān)持使用 bfloat16 微調(diào)。
有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 AMP 教程（https://pytorch.org/tutorials/recipes/recipes/amp_recipe.html），使用 Tensor Cores 訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（https://nvlabs.github.io/eccv2020-mixed-precision-tutorial/），并參閱 PyTorch 開(kāi)發(fā)討論中的“浮點(diǎn)精度的更多深入細(xì)節(jié)”一文（https://dev-discuss.pytorch.org/t/more-in-depth-details-of-floating-point-precision/654）。
總結(jié)
混合精度訓(xùn)練是在現(xiàn)代硬件上訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型的重要工具，隨著較低精度操作和 float32 之間的性能差距在新硬件上不斷擴(kuò)大，它在未來(lái)將變得更加重要，如圖 5 所示。
PyTorch 的 torch.amp 模塊可以輕松開(kāi)始使用混合精度，我們強(qiáng)烈建議使用它來(lái)加快訓(xùn)練速度并減少內(nèi)存使用量。torch.amp 支持 float16 和 bfloat16 混合精度。仍然有一些網(wǎng)絡(luò)很難以混合精度進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)于這些網(wǎng)絡(luò)，我們建議在 Ampere 和更高版本的 CUDA 硬件上嘗試 TF32 加速矩陣乘法。網(wǎng)絡(luò)很少對(duì)精度如此敏感，以至于每次操作都需要完整的 float32 精度。
本文翻譯自：https://pytorch.org/blog/what-every-user-should-know-about-mixed-precision-training-in-pytorch/
推薦閱讀
輔助模塊加速收斂，精度大幅提升！移動(dòng)端實(shí)時(shí)的NanoDet-Plus來(lái)了！
SSD的torchvision版本實(shí)現(xiàn)詳解
機(jī)器學(xué)習(xí)算法工程師
一個(gè)用心的公眾號(hào)
