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Ce didacticiel montre comment utiliser tf.distribute.Strategy
avec des boucles de formation personnalisées. Nous formerons un modèle CNN simple sur le jeu de données fashion MNIST. L'ensemble de données de la mode MNIST contient 60000 images de train de taille 28 x 28 et 10000 images de test de taille 28 x 28.
Nous utilisons des boucles d'entraînement personnalisées pour entraîner notre modèle car elles nous donnent de la flexibilité et un plus grand contrôle sur l'entraînement. De plus, il est plus facile de déboguer le modèle et la boucle d'apprentissage.
# Import TensorFlow
import tensorflow as tf
# Helper libraries
import numpy as np
import os
print(tf.__version__)
2.8.0-rc1
Téléchargez le jeu de données MNIST sur la mode
fashion_mnist = tf.keras.datasets.fashion_mnist
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = fashion_mnist.load_data()
# Adding a dimension to the array -> new shape == (28, 28, 1)
# We are doing this because the first layer in our model is a convolutional
# layer and it requires a 4D input (batch_size, height, width, channels).
# batch_size dimension will be added later on.
train_images = train_images[..., None]
test_images = test_images[..., None]
# Getting the images in [0, 1] range.
train_images = train_images / np.float32(255)
test_images = test_images / np.float32(255)
Créer une stratégie pour distribuer les variables et le graphique
Comment fonctionne la stratégie tf.distribute.MirroredStrategy
?
- Toutes les variables et le graphe du modèle sont répliqués sur les répliques.
- L'entrée est répartie uniformément entre les répliques.
- Chaque réplique calcule la perte et les gradients pour l'entrée qu'elle a reçue.
- Les dégradés sont synchronisés sur toutes les répliques en les additionnant.
- Après la synchronisation, la même mise à jour est effectuée sur les copies des variables sur chaque réplique.
# If the list of devices is not specified in the
# `tf.distribute.MirroredStrategy` constructor, it will be auto-detected.
strategy = tf.distribute.MirroredStrategy()
INFO:tensorflow:Using MirroredStrategy with devices ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0',)
print ('Number of devices: {}'.format(strategy.num_replicas_in_sync))
Number of devices: 1
Configurer le pipeline d'entrée
Exportez le graphique et les variables au format SavedModel indépendant de la plate-forme. Une fois votre modèle enregistré, vous pouvez le charger avec ou sans la portée.
BUFFER_SIZE = len(train_images)
BATCH_SIZE_PER_REPLICA = 64
GLOBAL_BATCH_SIZE = BATCH_SIZE_PER_REPLICA * strategy.num_replicas_in_sync
EPOCHS = 10
Créez les jeux de données et distribuez-les :
train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((train_images, train_labels)).shuffle(BUFFER_SIZE).batch(GLOBAL_BATCH_SIZE)
test_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((test_images, test_labels)).batch(GLOBAL_BATCH_SIZE)
train_dist_dataset = strategy.experimental_distribute_dataset(train_dataset)
test_dist_dataset = strategy.experimental_distribute_dataset(test_dataset)
2022-01-26 05:45:53.991501: W tensorflow/core/grappler/optimizers/data/auto_shard.cc:776] AUTO sharding policy will apply DATA sharding policy as it failed to apply FILE sharding policy because of the following reason: Found an unshardable source dataset: name: "TensorSliceDataset/_2" op: "TensorSliceDataset" input: "Placeholder/_0" input: "Placeholder/_1" attr { key: "Toutput_types" value { list { type: DT_FLOAT type: DT_UINT8 } } } attr { key: "_cardinality" value { i: 60000 } } attr { key: "is_files" value { b: false } } attr { key: "metadata" value { s: "\n\024TensorSliceDataset:0" } } attr { key: "output_shapes" value { list { shape { dim { size: 28 } dim { size: 28 } dim { size: 1 } } shape { } } } } experimental_type { type_id: TFT_PRODUCT args { type_id: TFT_DATASET args { type_id: TFT_PRODUCT args { type_id: TFT_TENSOR args { type_id: TFT_FLOAT } } args { type_id: TFT_TENSOR args { type_id: TFT_UINT8 } } } } args { type_id: TFT_DATASET args { type_id: TFT_PRODUCT args { type_id: TFT_TENSOR args { type_id: TFT_FLOAT } } args { type_id: TFT_TENSOR args { type_id: TFT_UINT8 } } } } } 2022-01-26 05:45:54.034762: W tensorflow/core/grappler/optimizers/data/auto_shard.cc:776] AUTO sharding policy will apply DATA sharding policy as it failed to apply FILE sharding policy because of the following reason: Found an unshardable source dataset: name: "TensorSliceDataset/_2" op: "TensorSliceDataset" input: "Placeholder/_0" input: "Placeholder/_1" attr { key: "Toutput_types" value { list { type: DT_FLOAT type: DT_UINT8 } } } attr { key: "_cardinality" value { i: 10000 } } attr { key: "is_files" value { b: false } } attr { key: "metadata" value { s: "\n\024TensorSliceDataset:3" } } attr { key: "output_shapes" value { list { shape { dim { size: 28 } dim { size: 28 } dim { size: 1 } } shape { } } } } experimental_type { type_id: TFT_PRODUCT args { type_id: TFT_DATASET args { type_id: TFT_PRODUCT args { type_id: TFT_TENSOR args { type_id: TFT_FLOAT } } args { type_id: TFT_TENSOR args { type_id: TFT_UINT8 } } } } args { type_id: TFT_DATASET args { type_id: TFT_PRODUCT args { type_id: TFT_TENSOR args { type_id: TFT_FLOAT } } args { type_id: TFT_TENSOR args { type_id: TFT_UINT8 } } } } }
Créer le modèle
Créez un modèle à l'aide tf.keras.Sequential
. Vous pouvez également utiliser l'API Model Subclassing pour ce faire.
def create_model():
model = tf.keras.Sequential([
tf.keras.layers.Conv2D(32, 3, activation='relu'),
tf.keras.layers.MaxPooling2D(),
tf.keras.layers.Conv2D(64, 3, activation='relu'),
tf.keras.layers.MaxPooling2D(),
tf.keras.layers.Flatten(),
tf.keras.layers.Dense(64, activation='relu'),
tf.keras.layers.Dense(10)
])
return model
# Create a checkpoint directory to store the checkpoints.
checkpoint_dir = './training_checkpoints'
checkpoint_prefix = os.path.join(checkpoint_dir, "ckpt")
Définir la fonction de perte
Normalement, sur une seule machine avec 1 GPU/CPU, la perte est divisée par le nombre d'exemples dans le lot d'entrée.
Alors, comment la perte doit-elle être calculée lors de l'utilisation d'un tf.distribute.Strategy
?
Par exemple, supposons que vous ayez 4 GPU et une taille de lot de 64. Un lot d'entrée est distribué sur les répliques (4 GPU), chaque réplique recevant une entrée de taille 16.
Le modèle de chaque réplique effectue un passage vers l'avant avec son entrée respective et calcule la perte. Maintenant, au lieu de diviser la perte par le nombre d'exemples dans son entrée respective (BATCH_SIZE_PER_REPLICA = 16), la perte doit être divisée par GLOBAL_BATCH_SIZE (64).
Pourquoi faire ceci?
- Cela doit être fait car une fois les gradients calculés sur chaque réplique, ils sont synchronisés sur les répliques en les additionnant .
Comment faire cela dans TensorFlow ?
Si vous écrivez une boucle d'entraînement personnalisée, comme dans ce didacticiel, vous devez additionner les pertes par exemple et diviser la somme par GLOBAL_BATCH_SIZE :
scale_loss = tf.reduce_sum(loss) * (1. / GLOBAL_BATCH_SIZE)
ou vous pouvez utilisertf.nn.compute_average_loss
qui prend la perte par exemple, les poids d'échantillon facultatifs et GLOBAL_BATCH_SIZE comme arguments et renvoie la perte mise à l'échelle.Si vous utilisez des pertes de régularisation dans votre modèle, vous devez mettre à l'échelle la valeur de perte en fonction du nombre de répliques. Vous pouvez le faire en utilisant la fonction
tf.nn.scale_regularization_loss
.L'utilisation
tf.reduce_mean
n'est pas recommandée. Cela divise la perte par la taille réelle du lot de répliques, qui peut varier d'une étape à l'autre.Cette réduction et cette mise à l'échelle se font automatiquement dans keras
model.compile
etmodel.fit
Si vous utilisez les classes
tf.keras.losses
(comme dans l'exemple ci-dessous), la réduction de perte doit être explicitement spécifiée comme étantNONE
ouSUM
.AUTO
etSUM_OVER_BATCH_SIZE
sont interdits lorsqu'ils sont utilisés avectf.distribute.Strategy
.AUTO
n'est pas autorisé car l'utilisateur doit réfléchir explicitement à la réduction qu'il souhaite pour s'assurer qu'elle est correcte dans le cas distribué.SUM_OVER_BATCH_SIZE
n'est pas autorisé car actuellement, il ne diviserait que par taille de lot de réplicas et laisserait la division par le nombre de réplicas à l'utilisateur, ce qui pourrait être facile à manquer. Donc, à la place, nous demandons à l'utilisateur de faire lui-même explicitement la réduction.Si les
labels
sont multidimensionnelles, faites la moyenne de laper_example_loss
par exemple sur le nombre d'éléments dans chaque échantillon. Par exemple, si la forme despredictions
est(batch_size, H, W, n_classes)
etlabels
sont(batch_size, H, W)
, vous devrez mettre à jourper_example_loss
comme :per_example_loss /= tf.cast(tf.reduce_prod(tf.shape(labels)[1:]), tf.float32)
with strategy.scope():
# Set reduction to `none` so we can do the reduction afterwards and divide by
# global batch size.
loss_object = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(
from_logits=True,
reduction=tf.keras.losses.Reduction.NONE)
def compute_loss(labels, predictions):
per_example_loss = loss_object(labels, predictions)
return tf.nn.compute_average_loss(per_example_loss, global_batch_size=GLOBAL_BATCH_SIZE)
Définir les métriques pour suivre la perte et la précision
Ces métriques suivent la perte de test et la précision de la formation et du test. Vous pouvez utiliser .result()
pour obtenir les statistiques accumulées à tout moment.
with strategy.scope():
test_loss = tf.keras.metrics.Mean(name='test_loss')
train_accuracy = tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(
name='train_accuracy')
test_accuracy = tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(
name='test_accuracy')
INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',). INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',). INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',). INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',). INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',). INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',). INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',). INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',). INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',). INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).
Boucle d'entraînement
# model, optimizer, and checkpoint must be created under `strategy.scope`.
with strategy.scope():
model = create_model()
optimizer = tf.keras.optimizers.Adam()
checkpoint = tf.train.Checkpoint(optimizer=optimizer, model=model)
def train_step(inputs):
images, labels = inputs
with tf.GradientTape() as tape:
predictions = model(images, training=True)
loss = compute_loss(labels, predictions)
gradients = tape.gradient(loss, model.trainable_variables)
optimizer.apply_gradients(zip(gradients, model.trainable_variables))
train_accuracy.update_state(labels, predictions)
return loss
def test_step(inputs):
images, labels = inputs
predictions = model(images, training=False)
t_loss = loss_object(labels, predictions)
test_loss.update_state(t_loss)
test_accuracy.update_state(labels, predictions)
# `run` replicates the provided computation and runs it
# with the distributed input.
@tf.function
def distributed_train_step(dataset_inputs):
per_replica_losses = strategy.run(train_step, args=(dataset_inputs,))
return strategy.reduce(tf.distribute.ReduceOp.SUM, per_replica_losses,
axis=None)
@tf.function
def distributed_test_step(dataset_inputs):
return strategy.run(test_step, args=(dataset_inputs,))
for epoch in range(EPOCHS):
# TRAIN LOOP
total_loss = 0.0
num_batches = 0
for x in train_dist_dataset:
total_loss += distributed_train_step(x)
num_batches += 1
train_loss = total_loss / num_batches
# TEST LOOP
for x in test_dist_dataset:
distributed_test_step(x)
if epoch % 2 == 0:
checkpoint.save(checkpoint_prefix)
template = ("Epoch {}, Loss: {}, Accuracy: {}, Test Loss: {}, "
"Test Accuracy: {}")
print (template.format(epoch+1, train_loss,
train_accuracy.result()*100, test_loss.result(),
test_accuracy.result()*100))
test_loss.reset_states()
train_accuracy.reset_states()
test_accuracy.reset_states()
Epoch 1, Loss: 0.5106383562088013, Accuracy: 81.77999877929688, Test Loss: 0.39399346709251404, Test Accuracy: 85.79000091552734 Epoch 2, Loss: 0.3362727463245392, Accuracy: 87.91333770751953, Test Loss: 0.35871225595474243, Test Accuracy: 86.7699966430664 Epoch 3, Loss: 0.2928692400455475, Accuracy: 89.2683334350586, Test Loss: 0.2999486029148102, Test Accuracy: 89.04000091552734 Epoch 4, Loss: 0.2605818510055542, Accuracy: 90.41999816894531, Test Loss: 0.28474125266075134, Test Accuracy: 89.47000122070312 Epoch 5, Loss: 0.23641237616539001, Accuracy: 91.32166290283203, Test Loss: 0.26421546936035156, Test Accuracy: 90.41000366210938 Epoch 6, Loss: 0.2192477434873581, Accuracy: 91.90499877929688, Test Loss: 0.2650589942932129, Test Accuracy: 90.4800033569336 Epoch 7, Loss: 0.20016911625862122, Accuracy: 92.66999816894531, Test Loss: 0.25025954842567444, Test Accuracy: 90.9000015258789 Epoch 8, Loss: 0.18381091952323914, Accuracy: 93.26499938964844, Test Loss: 0.2585820257663727, Test Accuracy: 90.95999908447266 Epoch 9, Loss: 0.1699329912662506, Accuracy: 93.67500305175781, Test Loss: 0.26234227418899536, Test Accuracy: 91.0199966430664 Epoch 10, Loss: 0.15756534039974213, Accuracy: 94.16333770751953, Test Loss: 0.25516414642333984, Test Accuracy: 90.93000030517578
Choses à noter dans l'exemple ci-dessus :
- Nous itérons sur
train_dist_dataset
ettest_dist_dataset
en utilisant une constructionfor x in ...
. - La perte mise à l'échelle est la valeur de retour de
distributed_train_step
. Cette valeur est agrégée sur les répliques à l'aide de l'appeltf.distribute.Strategy.reduce
, puis sur les lots en additionnant la valeur de retour des appelstf.distribute.Strategy.reduce
. -
tf.keras.Metrics
doit être mis à jour danstrain_step
ettest_step
qui sont exécutés partf.distribute.Strategy.run
. *tf.distribute.Strategy.run
renvoie les résultats de chaque réplica local de la stratégie, et il existe plusieurs façons d'utiliser ce résultat. Vous pouvez fairetf.distribute.Strategy.reduce
pour obtenir une valeur agrégée. Vous pouvez également fairetf.distribute.Strategy.experimental_local_results
pour obtenir la liste des valeurs contenues dans le résultat, une par réplica local.
Restaurer le dernier point de contrôle et tester
Un modèle contrôlé avec un tf.distribute.Strategy
peut être restauré avec ou sans stratégie.
eval_accuracy = tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(
name='eval_accuracy')
new_model = create_model()
new_optimizer = tf.keras.optimizers.Adam()
test_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((test_images, test_labels)).batch(GLOBAL_BATCH_SIZE)
@tf.function
def eval_step(images, labels):
predictions = new_model(images, training=False)
eval_accuracy(labels, predictions)
checkpoint = tf.train.Checkpoint(optimizer=new_optimizer, model=new_model)
checkpoint.restore(tf.train.latest_checkpoint(checkpoint_dir))
for images, labels in test_dataset:
eval_step(images, labels)
print ('Accuracy after restoring the saved model without strategy: {}'.format(
eval_accuracy.result()*100))
Accuracy after restoring the saved model without strategy: 91.0199966430664
Autres façons d'itérer sur un ensemble de données
Utiliser des itérateurs
Si vous souhaitez itérer sur un nombre donné d'étapes et non sur l'intégralité de l'ensemble de données, vous pouvez créer un itérateur à l'aide de l'appel iter
et appeler explicitement next
sur l'itérateur. Vous pouvez choisir d'itérer sur l'ensemble de données à l'intérieur et à l'extérieur de la fonction tf. Voici un petit extrait démontrant l'itération de l'ensemble de données en dehors de la tf.function à l'aide d'un itérateur.
for _ in range(EPOCHS):
total_loss = 0.0
num_batches = 0
train_iter = iter(train_dist_dataset)
for _ in range(10):
total_loss += distributed_train_step(next(train_iter))
num_batches += 1
average_train_loss = total_loss / num_batches
template = ("Epoch {}, Loss: {}, Accuracy: {}")
print (template.format(epoch+1, average_train_loss, train_accuracy.result()*100))
train_accuracy.reset_states()
Epoch 10, Loss: 0.17486707866191864, Accuracy: 93.4375 Epoch 10, Loss: 0.12386945635080338, Accuracy: 95.3125 Epoch 10, Loss: 0.16411852836608887, Accuracy: 93.90625 Epoch 10, Loss: 0.10728752613067627, Accuracy: 96.40625 Epoch 10, Loss: 0.11865834891796112, Accuracy: 95.625 Epoch 10, Loss: 0.12875251471996307, Accuracy: 95.15625 Epoch 10, Loss: 0.1189488023519516, Accuracy: 95.625 Epoch 10, Loss: 0.1456708014011383, Accuracy: 95.15625 Epoch 10, Loss: 0.12446556240320206, Accuracy: 95.3125 Epoch 10, Loss: 0.1380888819694519, Accuracy: 95.46875
Itérer à l'intérieur d'un tf.function
Vous pouvez également itérer sur l'ensemble de l'entrée train_dist_dataset
à l'intérieur d'une fonction tf en utilisant la construction for x in ...
ou en créant des itérateurs comme nous l'avons fait ci-dessus. L'exemple ci-dessous illustre l'encapsulation d'une époque de formation dans un tf.function et l'itération sur train_dist_dataset
à l'intérieur de la fonction.
@tf.function
def distributed_train_epoch(dataset):
total_loss = 0.0
num_batches = 0
for x in dataset:
per_replica_losses = strategy.run(train_step, args=(x,))
total_loss += strategy.reduce(
tf.distribute.ReduceOp.SUM, per_replica_losses, axis=None)
num_batches += 1
return total_loss / tf.cast(num_batches, dtype=tf.float32)
for epoch in range(EPOCHS):
train_loss = distributed_train_epoch(train_dist_dataset)
template = ("Epoch {}, Loss: {}, Accuracy: {}")
print (template.format(epoch+1, train_loss, train_accuracy.result()*100))
train_accuracy.reset_states()
/tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/tensorflow/python/data/ops/dataset_ops.py:449: UserWarning: To make it possible to preserve tf.data options across serialization boundaries, their implementation has moved to be part of the TensorFlow graph. As a consequence, the options value is in general no longer known at graph construction time. Invoking this method in graph mode retains the legacy behavior of the original implementation, but note that the returned value might not reflect the actual value of the options. warnings.warn("To make it possible to preserve tf.data options across " Epoch 1, Loss: 0.14398494362831116, Accuracy: 94.63999938964844 Epoch 2, Loss: 0.13246288895606995, Accuracy: 94.97333526611328 Epoch 3, Loss: 0.11922841519117355, Accuracy: 95.63833618164062 Epoch 4, Loss: 0.11084160208702087, Accuracy: 95.99333190917969 Epoch 5, Loss: 0.10420522093772888, Accuracy: 96.0816650390625 Epoch 6, Loss: 0.09215126931667328, Accuracy: 96.63500213623047 Epoch 7, Loss: 0.0878651961684227, Accuracy: 96.67666625976562 Epoch 8, Loss: 0.07854588329792023, Accuracy: 97.09333038330078 Epoch 9, Loss: 0.07217177003622055, Accuracy: 97.34833526611328 Epoch 10, Loss: 0.06753655523061752, Accuracy: 97.48999786376953
Suivi de la perte d'entraînement entre les répliques
Nous vous déconseillons d'utiliser tf.metrics.Mean
pour suivre la perte d'entraînement sur différents réplicas, en raison du calcul de mise à l'échelle des pertes qui est effectué.
Par exemple, si vous exécutez une tâche d'entraînement avec les caractéristiques suivantes :
- Deux répliques
- Deux échantillons sont traités sur chaque réplique
- Valeurs de perte résultantes : [2, 3] et [4, 5] sur chaque réplique
- Taille de lot globale = 4
Avec la mise à l'échelle des pertes, vous calculez la valeur de perte par échantillon sur chaque réplique en ajoutant les valeurs de perte, puis en divisant par la taille de lot globale. Dans ce cas : (2 + 3) / 4 = 1.25
et (4 + 5) / 4 = 2.25
.
Si vous utilisez tf.metrics.Mean
pour suivre la perte sur les deux réplicas, le résultat est différent. Dans cet exemple, vous vous retrouvez avec un total
de 3,50 et un count
de 2, ce qui donne total
/ count
= 1,75 lorsque result()
est appelé sur la métrique. La perte calculée avec tf.keras.Metrics
est mise à l'échelle par un facteur supplémentaire égal au nombre de répliques synchronisées.
Guide et exemples
Voici quelques exemples d'utilisation d'une stratégie de distribution avec des boucles d'entraînement personnalisées :
- Guide de formation distribué
- Exemple DenseNet utilisant
MirroredStrategy
. - Exemple BERT formé à l'aide de
MirroredStrategy
etTPUStrategy
. Cet exemple est particulièrement utile pour comprendre comment charger à partir d'un point de contrôle et générer des points de contrôle périodiques pendant la formation distribuée, etc. - Exemple NCF formé à l'aide de
MirroredStrategy
qui peut être activé à l'aide de l'indicateurkeras_use_ctl
. - Exemple NMT formé à l'aide de
MirroredStrategy
.
Plus d'exemples répertoriés dans le Guide de stratégie de distribution .
Prochaines étapes
- Essayez la nouvelle API
tf.distribute.Strategy
sur vos modèles. - Consultez la section Performances du guide pour en savoir plus sur les autres stratégies et outils que vous pouvez utiliser pour optimiser les performances de vos modèles TensorFlow.