在深度学习训练中，我们经常遇到 GPU 的内存太小的问题，如果我们的数据量比较大，别说大批量（large batch size）训练了，有时候甚至连一个训练样本都放不下。但是随机梯度下降（SGD）中，如果能使用更大的 Batch Size 训练，一般能得到更好的结果。所以问题来了：
问题来了：当 GPU 的内存不够时，如何使用大批量（large batch size）样本来训练神经网络呢？
这篇文章将以 PyTorch 为例，讲解一下几点：
- 当 GPU 的内存小于 Batch Size 的训练样本，或者甚至连一个样本都塞不下的时候，怎么用单个或多个 GPU 进行训练？
- 怎么尽量高效地利用多 GPU？
单个或多个 GPU 进行大批量训练
如果你也遇到过 CUDA RuntimeError: out of memory 的错误，那么说明你也遇到了这个问题。
PyTorch 的开发人员都出来了，估计一脸黑线：兄弟，这不是 bug，是你内存不够…
又一个方法可以解决这个问题：梯度累加（accumulating gradients）。
一般在 PyTorch 中，我们是这样来更新梯度的：
|
1
2
3
4
5
|
predictions = model(inputs) # 前向计算
loss = loss_function(predictions, labels) # 计算损失函数
loss.backward() # 后向计算梯度
optimizer.step() # 优化器更新梯度
predictions = model(inputs) # 用更新过的参数值进行下一次前向计算
|
在上看的代码注释中，在计算梯度的 loss.backward() 操作中，每个参数的梯度被计算出来后，都被存储在各个参数对应的一个张量里：parameter.grad。然后优化器就会根据这个来更新每个参数的值，就是 optimizer.step()。
而梯度累加（accumulating gradients）的基本思想就是， 在优化器更新参数前，也就是执行 optimizer.step() 前，我们进行多次梯度计算，保存在 parameter.grad 中，然后累加梯度再更新。这个在 PyTorch 中特别容易实现，因为 PyTorch 中，梯度值本身会保留，除非我们调用 model.zero_grad() or optimizer.zero_grad()。
下面是一个梯度累加的例子，其中 accumulation_steps 就是要累加梯度的循环数：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
|
model.zero_grad() # 重置保存梯度值的张量
for i, (inputs, labels) in enumerate(training_set):
predictions = model(inputs) # 前向计算
loss = loss_function(predictions, labels) # 计算损失函数
loss = loss / accumulation_steps # 对损失正则化 (如果需要平均所有损失)
loss.backward() # 计算梯度
if (i 1) % accumulation_steps == 0: # 重复多次前面的过程
optimizer.step() # 更新梯度
model.zero_grad() # 重置梯度
|
如果连一个样本都不放下怎么办？
如果样本特别大，别说 batch training，要是 GPU 的内存连一个样本都不下怎么办呢？
答案是使用梯度检查点（gradient-checkpoingting），用计算量来换内存。基本思想就是，在反向传播的过程中，把梯度切分成几部分，分别对网络上的部分参数进行更新（见下图）。但这种方法的速度很慢，因为要增加额外的计算量。但在某些例子上又很有用，比如训练长序列的 RNN 模型等（感兴趣的话可以参考这篇文章）。
图片来自：https://medium.com/tensorflow/fitting-larger-networks-into-memory-583e3c758ff9
这里就不展开讲了，可以参考 PyTorch 官方文档对 Checkpoint 的描述：https://pytorch.org/docs/stable/checkpoint.html
多 GPU 训练方法
简单来讲，PyTorch 中多 GPU 训练的方法是使用 torch.nn.DataParallel。非常简单，只需要一行代码：
|
1
2
3
4
5
6
7
|
parallel_model = torch.nn.DataParallel(model) # 就是这里！
predictions = parallel_model(inputs) # 前向计算
loss = loss_function(predictions, labels) # 计算损失函数
loss.mean().backward() # 计算多个GPU的损失函数平均值，计算梯度
optimizer.step() # 反向传播
predictions = parallel_model(inputs)
|
在使用torch.nn.DataParallel 的过程中，我们经常遇到一个问题：第一个GPU的计算量往往比较大。我们先来看一下多 GPU 的训练过程原理：
在上图第一行第四个步骤中，GPU-1 其实汇集了所有 GPU 的运算结果。这个对于多分类问题还好，但如果是自然语言处理模型就会出现问题，导致 GPU-1 汇集的梯度过大，直接爆掉。
那么就要想办法实现多 GPU 的负载均衡，方法就是让 GPU-1 不汇集梯度，而是保存在各个 GPU 上。这个方法的关键就是要分布化我们的损失函数，让梯度在各个 GPU 上单独计算和反向传播。这里又一个开源的实现：https://github.com/zhanghang1989/PyTorch-Encoding。这里是一个修改版，可以直接在我们的代码里调用：地址。实例：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
|
from parallel import DataParallelModel, DataParallelCriterion
parallel_model = DataParallelModel(model) # 并行化model
parallel_loss = DataParallelCriterion(loss_function) # 并行化损失函数
predictions = parallel_model(inputs) # 并行前向计算
# "predictions"是多个gpu的结果的元组
loss = parallel_loss(predictions, labels) # 并行计算损失函数
loss.backward() # 计算梯度
optimizer.step() # 反向传播
predictions = parallel_model(inputs)
|
如果你的网络输出是多个，可以这样分解：
|
1
|
output_1, output_2 = zip(*predictions)
|
如果有时候不想进行分布式损失函数计算，可以这样手动汇集所有结果：
|
1
|
gathered_predictions = parallel.gather(predictions)
|
下图展示了负载均衡以后的原理：
（原文链接： https://medium.com/huggingface/training-larger-batches-practical-tips-on-1-gpu-multi-gpu-distributed-setups-ec88c3e51255）