推理加速效能超越英偉達FasterTransformer 50%,開源方案打通大模型落地關鍵路徑
AI大模型推理部署的困難
模型引數的迅速增長[https://arxiv.org/abs/2111.14247]

- Runtime:在執行時系統設計過程中我們發現,當模型規模不斷增大,通用矩陣乘的時間佔比逐漸增大,而訪存密集型運算元與Kernel Launch的時間佔比則逐漸降低,推理過程進一步從訪存密集型向計算密集型方向遷移,TensorRT以及專用推理系統對訪存密集型操作的優化效果被極大削減。Energon-AI Runtime依賴於Colossal-AI實現張量並行,同時設計了流水線並行包裝方法用於視訊記憶體不足的情況。此外,我們引入了大量推理專用運算元及方法。如,面對NLP中輸入變長的特點,我們引入了transpose_padding_rebulid與transpose_padding_remove等運算元用以高效支援Encoder和Decoder模型中MLP層的冗餘計算消除方法。
- Engine:單裝置推理中程式有相同的資料入口與出口,分散式訓練的主要目標是模型引數,因此無須對多個程序的輸入輸出進行管理,而多裝置推理則不同。我們希望通過良好的封裝使得Engine具有與單裝置推理完全相同的行為。我們採用了半中心化方法,主程序中使用RPC在每個裝置呼叫初始化或推理方法,使得分散式推理可以得到中心化的控制,同時每個裝置則保有自己的Tensor Parallel與Pipeline Parallel通訊邏輯。我們在每個程序中設計並維護了分散式訊息佇列,用以保證多個程序中多執行緒呼叫執行的一致性。
- Serving:針對使用者請求分散和變長的特點及大模型推理對GPU並行運算的依賴之間的矛盾,Energon-AI引入了動態Batching機制,將請求佇列中的請求按照機器效能進行最優打包後,根據等候時間、batch大小、batch的擴充套件可能性(根據padding後的句子長度)等挑選優先順序最高的batch處理,最大化GPU使用率的同時規避飢餓問題,減小平均請求時延。
效能測試
並行推理超線性擴充套件

張量並行可擴充套件性測試結果展示。硬體環境:8 * A100 GPU 80GB。由於單裝置視訊記憶體無法滿足GPT-3推理需求,此處為GPT-3 12層的測試結果,設定句長為Padding的1/2。
Energon-AI八卡並行推理在Batch Size為32時,相比於單卡Pytorch直接推理,可獲得8.5倍的超線性加速。
執行時推理效能提升50%
張量並行執行時系統推理時延對比。硬體環境:8 * A100 GPU 80GB。
設定句長為Padding的1/2。GPT-3-24-Layers for TP=2, GPT-3-48-Layers for TP=4。
我們選擇高度優化的英偉達FasterTransformer GPT-3作為對比方案。FasterTransformer在其4.0版本中推出了分散式推理特性,目前支援GPT-3模型的分散式推理,但由於其純C++程式碼高度耦合的特點,靈活度與易用性相對較低。此外,對於NLP推理輸入句長不同的特點,其分散式推理無冗餘計算消除功能。
對於GPT-3模型,Energon-AI的執行時系統在Batch Size為1時效能略低於FasterTransformer,而在Batch Size較大時能夠實現超過50%的效能提升。
Dynamic Batching吞吐量增加30%
Dynamic batching與直接打包batch吞吐量對比。硬體環境:8 * A100 GPU 80GB。測試使用的模型為GPT-3, 測試句長為256以內隨機生成,padding策略為batch內最長padding。
我們模擬真實場景下多使用者同時傳送大量變長推理請求的情況,將我們的動態batch規劃方法與傳統的FIFO(先入先出)佇列打包方法進行了吞吐量對比。由於dynamic batching的演算法緩解了直接padding造成的大量冗餘計算問題,在該策略下dynamic batching的吞吐量實現了34.7%的提升。
易用性
from gpt import gpt3
from gpt_server import launch_engine
# for engine
model_class = gpt3
model_type = "gpt"
host = "127.0.0.1"
port = 29400
half = True
backend = "nccl"
# for parallel
tp_init_size = 4
pp_init_size = 2
# for server
engine_server = launch_engine
server_host = "127.0.0.1"
server_port = 8020
rm_padding = True
energonai service init --config_file=gpt_config.py
在追求效能的同時,Energon-AI希望保持系統使用的靈活度與易用性,使用者僅需自定義【並行模型】、【並行引數】以及【服務請求邏輯】加入到配置檔案中,即可啟動推理服務。目前,我們提供了最常見的GPT、BERT和ViT模型作為示例,更詳盡的教程將會在近期完善。
在構建新的並行模型時,Energon-AI使用Python,且使用方式與Pytorch相似,有層的概念且初始化與執行邏輯清晰,使用者無需考慮記憶體管理,並行通訊等行為。如下程式碼展示了兩層Linear層組成的模型並行執行的完整程式碼。
class MLP(nn.Module):
def __init__(self, dim, dtype, bias):
super().__init__()
self.dense_0 = Linear1D_Col(dim, dim, dtype=dtype, bias=bias, gather_output=False)
self.dense_1 = Linear1D_Row(dim, dim, dtype=dtype, bias=bias, parallel_input=True)
def forward(self, x):
x = self.dense_0(x)
x = self.dense_1(x)
return x
與之相對,在構建新的並行模型時,FasterTransformer需要使用C++程式碼並且需要使用者自行進行記憶體管理,定義通訊等底層行為組織。受篇幅限制,如下程式碼展示兩層Linear層模型並行執行的記憶體管理,具體執行,通訊的部分程式碼。除此之外,使用者想要程式碼正確執行,還需要花費大量時間精力對記憶體管理、執行邏輯、通訊行為之間的配合進行除錯,C++程式碼還需要額外編譯工作。這些都對使用者的並行知識與程式設計能力提出了嚴峻挑戰。
// Memory Allocation (only for a single paramerter).
T *d_inter_kernel = NULL
param_.ffn.intermediate_weight.kernel = d_inter_kernel;
device_malloc(&d_inter_kernel, dim * dim);
// Two MLP Layers
cublasMM_cublasLtMM_wrapper(param_.cublaslt_handle, param_.cublas_handle, CUBLAS_OP_N, CUBLAS_OP_N, n, m, k, &alpha, param_.ffn.intermediate_weight.kernel, AType_, n, attr_matmul_buf_, BType_, k, &beta, (DataType_ *)inter_matmul_buf_, CType_, n, param_.stream, cublasAlgoMap_, sm_, cublas_workspace_);
add_bias_act_kernelLauncher<DataType_>(inter_matmul_buf_, param_.ffn.intermediate_weight.bias, m, n, ActivationType::GELU, param_.stream);
n = k;
cublasMM_cublasLtMM_wrapper(param_.cublaslt_handle, param_.cublas_handle, CUBLAS_OP_N, CUBLAS_OP_N, n, m, k, &alpha, param_.ffn.output_weight.kernel, AType_, n, inter_matmul_buf_, BType_, k, &beta, (DataType_ *)(param_.transformer_out), CType_, n, param_.stream, cublasAlgoMap_, sm_, cublas_workspace_);
add_bias_input_layernorm_kernelLauncher<DataType_>(param_.transformer_out, attr_matmul_buf_, param_.ffn.output_weight.bias, param_.ffn_layernorm.gamma, param_.ffn_layernorm.beta, m, n, param_.stream);
// Communication
if(t_parallel_param_.world_size > 1)
{
all2all_gather(nccl_logits_buf_, nccl_logits_buf_, local_batch * n, t_parallel_param_, decoding_params.stream);
}
更多特性
本次釋出的Energon-AI子系統為beta版,近期會根據使用者反饋與既定計劃,進行密集的迭代更新,儘早為使用者提供正式版,充分滿足使用者的不同推理部署需求,歡迎向Energon-AI提出您的需求與建議。
構建AI大模型生態系統
面對AI大模型的時代浪潮,除了本次新增的推理部署特性,針對現有大模型訓練方案並行維度有限、效率不高、通用性差、部署困難、缺乏維護等痛點,Colossal-AI通過高效多維並行和異構並行等技術,讓使用者僅需極少量修改,即可高效快速部署AI大模型訓練。
例如對於GPT-3這樣的超大AI模型,相比英偉達方案,Colossal-AI僅需一半的計算資源,即可啟動訓練;若使用相同計算資源,則能提速11%,可降低GPT-3訓練成本超百萬美元。
對於蛋白質結構預測應用AlphaFold,基於Colossal-AI的加速方案的FastFold,成功超越谷歌和哥倫比亞大學的方案,將AlphaFold訓練時間從11天減少到67小時,且總成本更低,在長序列推理中也實現9.3~11.6倍的速度提升。
Colossal-AI相容低端裝置,在僅有一塊GPU的個人PC上便能訓練高達180億引數GPT;普通的膝上型電腦,也能訓練十幾億引數的模型,相比現有主流方案,可提升引數容量十餘倍,大幅度降低了AI大模型微調和推理等下游任務和應用部署的門檻。
Colossal-AI注重開源社群建設,提供中文教程,開放使用者社群及論壇,對於使用者反饋進行高效交流與迭代更新,不斷新增等前沿特性。
自然開源以來,Colossal-AI已經多次登上GitHub熱榜Python方向世界第一,與眾多已有數萬star的明星開源專案一起受到海內外關注!
在反映機器學習領域熱點的Papers With Code網站上,Colossal-AI也廣受關注,榮登熱榜第一。
專案團隊

△潞晨科技創始人尤洋教授:加州大學伯克利分校博士、IPDPS/ICPP最佳論文、ACM/IEEE George Michael HPC Fellowship、福布斯30歲以下精英(亞洲 2021)、IEEE-CS超算傑出新人獎、UC伯克利EECS Lotfi A. Zadeh優秀畢業生獎
△潞晨CSO Prof. James Demmel:加州大學伯克利分校傑出教授、ACM/IEEE Fellow,美國科學院、工程院、藝術與科學院三院院士
傳送門
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