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Formazione distribuita con Keras

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Panoramica

L'API tf.distribute.Strategy fornisce un'astrazione per la distribuzione della formazione su più unità di elaborazione. Ti consente di svolgere formazione distribuita utilizzando modelli e codice di formazione esistenti con modifiche minime.

Questo tutorial mostra come usare tf.distribute.MirroredStrategy per eseguire la replica in-graph con training sincrono su molte GPU su una macchina . La strategia essenzialmente copia tutte le variabili del modello su ciascun processore. Quindi, utilizza tutto-riduci per combinare i gradienti di tutti i processori e applica il valore combinato a tutte le copie del modello.

Utilizzerai le API tf.keras per costruire il modello e Model.fit per addestrarlo. (Per informazioni sulla formazione distribuita con un ciclo di formazione personalizzato e MirroredStrategy , consulta questo tutorial .)

MirroredStrategy addestra il tuo modello su più GPU su una singola macchina. Per l'addestramento sincrono su molte GPU su più lavoratori , utilizzare tf.distribute.MultiWorkerMirroredStrategy con Keras Model.fit o un ciclo di addestramento personalizzato . Per altre opzioni, fare riferimento alla Guida alla formazione distribuita .

Per conoscere varie altre strategie, c'è la guida Distributed training with TensorFlow .

Impostare

import tensorflow_datasets as tfds
import tensorflow as tf

import os

# Load the TensorBoard notebook extension.
%load_ext tensorboard

print(tf.__version__)

2.8.0-rc1

Scarica il dataset

Carica il set di dati MNIST dai set di dati TensorFlow . Questo restituisce un set di dati nel formato tf.data .

L'impostazione dell'argomento with_info su True include i metadati per l'intero set di dati, che viene salvato qui in info . Tra le altre cose, questo oggetto di metadati include il numero di esempi di treni e test.

datasets, info = tfds.load(name='mnist', with_info=True, as_supervised=True)

mnist_train, mnist_test = datasets['train'], datasets['test']

Definire la strategia di distribuzione

Crea un oggetto MirroredStrategy . Questo gestirà la distribuzione e fornirà un gestore del contesto ( MirroredStrategy.scope ) per creare il tuo modello all'interno.

strategy = tf.distribute.MirroredStrategy()

INFO:tensorflow:Using MirroredStrategy with devices ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0',)
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

Configura la pipeline di input

Quando si esegue il training di un modello con più GPU, è possibile utilizzare la potenza di elaborazione aggiuntiva in modo efficace aumentando le dimensioni del batch. In generale, usa la dimensione batch più grande che si adatta alla memoria della GPU e ottimizza la velocità di apprendimento di conseguenza.

# You can also do info.splits.total_num_examples to get the total
# number of examples in the dataset.

num_train_examples = info.splits['train'].num_examples
num_test_examples = info.splits['test'].num_examples

BUFFER_SIZE = 10000

BATCH_SIZE_PER_REPLICA = 64
BATCH_SIZE = BATCH_SIZE_PER_REPLICA * strategy.num_replicas_in_sync

Definire una funzione che normalizza i valori dei pixel dell'immagine dall'intervallo [0, 255] all'intervallo [0, 1] ( ridimensionamento delle funzioni ):

def scale(image, label):
  image = tf.cast(image, tf.float32)
  image /= 255

  return image, label

Applicare questa funzione di scale ai dati di addestramento e test, quindi utilizzare le API tf.data.Dataset per mescolare i dati di addestramento ( Dataset.shuffle ) e raggrupparli ( Dataset.batch ). Si noti che si mantiene anche una cache in memoria dei dati di addestramento per migliorare le prestazioni ( Dataset.cache ).

train_dataset = mnist_train.map(scale).cache().shuffle(BUFFER_SIZE).batch(BATCH_SIZE)
eval_dataset = mnist_test.map(scale).batch(BATCH_SIZE)

Crea il modello

Crea e compila il modello Keras nel contesto di Strategy.scope :

with strategy.scope():
  model = tf.keras.Sequential([
      tf.keras.layers.Conv2D(32, 3, activation='relu', input_shape=(28, 28, 1)),
      tf.keras.layers.MaxPooling2D(),
      tf.keras.layers.Flatten(),
      tf.keras.layers.Dense(64, activation='relu'),
      tf.keras.layers.Dense(10)
  ])

  model.compile(loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
                optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(),
                metrics=['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',).

Definisci le richiamate

Definisci i seguenti tf.keras.callbacks :

tf.keras.callbacks.TensorBoard : scrive un log per TensorBoard, che permette di visualizzare i grafici.
tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint : salva il modello a una certa frequenza, ad esempio dopo ogni epoca.
tf.keras.callbacks.LearningRateScheduler : programma la velocità di apprendimento in modo che cambi dopo, ad esempio, ogni epoca/batch.

A scopo illustrativo, aggiungi una richiamata personalizzata denominata PrintLR per visualizzare la velocità di apprendimento nel blocco appunti.

# Define the checkpoint directory to store the checkpoints.
checkpoint_dir = './training_checkpoints'
# Define the name of the checkpoint files.
checkpoint_prefix = os.path.join(checkpoint_dir, "ckpt_{epoch}")

# Define a function for decaying the learning rate.
# You can define any decay function you need.
def decay(epoch):
  if epoch < 3:
    return 1e-3
  elif epoch >= 3 and epoch < 7:
    return 1e-4
  else:
    return 1e-5

# Define a callback for printing the learning rate at the end of each epoch.
class PrintLR(tf.keras.callbacks.Callback):
  def on_epoch_end(self, epoch, logs=None):
    print('\nLearning rate for epoch {} is {}'.format(epoch + 1,
                                                      model.optimizer.lr.numpy()))

# Put all the callbacks together.
callbacks = [
    tf.keras.callbacks.TensorBoard(log_dir='./logs'),
    tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint(filepath=checkpoint_prefix,
                                       save_weights_only=True),
    tf.keras.callbacks.LearningRateScheduler(decay),
    PrintLR()
]

Allenati e valuta

Ora, addestra il modello nel solito modo chiamando Model.fit sul modello e passando il set di dati creato all'inizio del tutorial. Questo passaggio è lo stesso indipendentemente dal fatto che tu stia distribuendo o meno la formazione.

EPOCHS = 12

model.fit(train_dataset, epochs=EPOCHS, callbacks=callbacks)

2022-01-26 05:38:28.865380: W tensorflow/core/grappler/optimizers/data/auto_shard.cc:547] The `assert_cardinality` transformation is currently not handled by the auto-shard rewrite and will be removed.
Epoch 1/12
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',).
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',).
933/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.2029 - accuracy: 0.9399
Learning rate for epoch 1 is 0.0010000000474974513
938/938 [==============================] - 10s 4ms/step - loss: 0.2022 - accuracy: 0.9401 - lr: 0.0010
Epoch 2/12
930/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0654 - accuracy: 0.9813
Learning rate for epoch 2 is 0.0010000000474974513
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0652 - accuracy: 0.9813 - lr: 0.0010
Epoch 3/12
931/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0453 - accuracy: 0.9864
Learning rate for epoch 3 is 0.0010000000474974513
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0453 - accuracy: 0.9864 - lr: 0.0010
Epoch 4/12
923/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0246 - accuracy: 0.9933
Learning rate for epoch 4 is 9.999999747378752e-05
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0244 - accuracy: 0.9934 - lr: 1.0000e-04
Epoch 5/12
929/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0211 - accuracy: 0.9944
Learning rate for epoch 5 is 9.999999747378752e-05
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0212 - accuracy: 0.9944 - lr: 1.0000e-04
Epoch 6/12
930/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0192 - accuracy: 0.9950
Learning rate for epoch 6 is 9.999999747378752e-05
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0194 - accuracy: 0.9950 - lr: 1.0000e-04
Epoch 7/12
927/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0179 - accuracy: 0.9953
Learning rate for epoch 7 is 9.999999747378752e-05
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0179 - accuracy: 0.9953 - lr: 1.0000e-04
Epoch 8/12
938/938 [==============================] - ETA: 0s - loss: 0.0153 - accuracy: 0.9966
Learning rate for epoch 8 is 9.999999747378752e-06
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0153 - accuracy: 0.9966 - lr: 1.0000e-05
Epoch 9/12
927/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0151 - accuracy: 0.9966
Learning rate for epoch 9 is 9.999999747378752e-06
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0150 - accuracy: 0.9966 - lr: 1.0000e-05
Epoch 10/12
935/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0148 - accuracy: 0.9966
Learning rate for epoch 10 is 9.999999747378752e-06
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0148 - accuracy: 0.9966 - lr: 1.0000e-05
Epoch 11/12
937/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0146 - accuracy: 0.9967
Learning rate for epoch 11 is 9.999999747378752e-06
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0146 - accuracy: 0.9967 - lr: 1.0000e-05
Epoch 12/12
926/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0145 - accuracy: 0.9967
Learning rate for epoch 12 is 9.999999747378752e-06
938/938 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0144 - accuracy: 0.9967 - lr: 1.0000e-05
<keras.callbacks.History at 0x7fad70067c10>

Verifica i checkpoint salvati:

# Check the checkpoint directory.
ls {checkpoint_dir}

checkpoint           ckpt_4.data-00000-of-00001
ckpt_1.data-00000-of-00001   ckpt_4.index
ckpt_1.index             ckpt_5.data-00000-of-00001
ckpt_10.data-00000-of-00001  ckpt_5.index
ckpt_10.index            ckpt_6.data-00000-of-00001
ckpt_11.data-00000-of-00001  ckpt_6.index
ckpt_11.index            ckpt_7.data-00000-of-00001
ckpt_12.data-00000-of-00001  ckpt_7.index
ckpt_12.index            ckpt_8.data-00000-of-00001
ckpt_2.data-00000-of-00001   ckpt_8.index
ckpt_2.index             ckpt_9.data-00000-of-00001
ckpt_3.data-00000-of-00001   ckpt_9.index
ckpt_3.index

Per verificare le prestazioni del modello, caricare l'ultimo checkpoint e chiamare Model.evaluate sui dati del test:

model.load_weights(tf.train.latest_checkpoint(checkpoint_dir))

eval_loss, eval_acc = model.evaluate(eval_dataset)

print('Eval loss: {}, Eval accuracy: {}'.format(eval_loss, eval_acc))

2022-01-26 05:39:15.260539: W tensorflow/core/grappler/optimizers/data/auto_shard.cc:547] The `assert_cardinality` transformation is currently not handled by the auto-shard rewrite and will be removed.
157/157 [==============================] - 2s 4ms/step - loss: 0.0373 - accuracy: 0.9879
Eval loss: 0.03732967749238014, Eval accuracy: 0.9879000186920166

Per visualizzare l'output, avviare TensorBoard e visualizzare i log:

%tensorboard --logdir=logs

ls -sh ./logs

total 4.0K
4.0K train

Esporta in modello salvato

Esportare il grafico e le variabili nel formato SavedModel indipendente dalla piattaforma utilizzando Model.save . Dopo aver salvato il modello, puoi caricarlo con o senza Strategy.scope .

path = 'saved_model/'

model.save(path, save_format='tf')

2022-01-26 05:39:18.012847: W tensorflow/python/util/util.cc:368] Sets are not currently considered sequences, but this may change in the future, so consider avoiding using them.
INFO:tensorflow:Assets written to: saved_model/assets
INFO:tensorflow:Assets written to: saved_model/assets

Ora carica il modello senza Strategy.scope :

unreplicated_model = tf.keras.models.load_model(path)

unreplicated_model.compile(
    loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
    optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(),
    metrics=['accuracy'])

eval_loss, eval_acc = unreplicated_model.evaluate(eval_dataset)

print('Eval loss: {}, Eval Accuracy: {}'.format(eval_loss, eval_acc))

157/157 [==============================] - 1s 2ms/step - loss: 0.0373 - accuracy: 0.9879
Eval loss: 0.03732967749238014, Eval Accuracy: 0.9879000186920166

Carica il modello con Strategy.scope :

with strategy.scope():
  replicated_model = tf.keras.models.load_model(path)
  replicated_model.compile(loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
                           optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(),
                           metrics=['accuracy'])

  eval_loss, eval_acc = replicated_model.evaluate(eval_dataset)
  print ('Eval loss: {}, Eval Accuracy: {}'.format(eval_loss, eval_acc))

2022-01-26 05:39:19.489971: W tensorflow/core/grappler/optimizers/data/auto_shard.cc:547] The `assert_cardinality` transformation is currently not handled by the auto-shard rewrite and will be removed.
157/157 [==============================] - 3s 3ms/step - loss: 0.0373 - accuracy: 0.9879
Eval loss: 0.03732967749238014, Eval Accuracy: 0.9879000186920166

Risorse addizionali

Altri esempi che utilizzano diverse strategie di distribuzione con l'API Keras Model.fit :

Il tutorial Risolvi attività GLUE utilizzando BERT su TPU utilizza tf.distribute.MirroredStrategy per la formazione su GPU e tf.distribute.TPUStrategy — su TPU.
L'esercitazione Salva e carica un modello utilizzando una strategia di distribuzione mostra come utilizzare le API SavedModel con tf.distribute.Strategy .
I modelli ufficiali di TensorFlow possono essere configurati per eseguire più strategie di distribuzione.

Per saperne di più sulle strategie di distribuzione di TensorFlow:

L'esercitazione Formazione personalizzata con tf.distribute.Strategy mostra come usare tf.distribute.MirroredStrategy per la formazione per singolo lavoratore con un ciclo di formazione personalizzato.
L'esercitazione MultiWorker con Keras mostra come utilizzare MultiWorkerMirroredStrategy con Model.fit .
L' esercitazione Ciclo di formazione personalizzato con Keras e MultiWorkerMirroredStrategy mostra come usare MultiWorkerMirroredStrategy con Keras e un ciclo di formazione personalizzato.
La guida Formazione distribuita in TensorFlow fornisce una panoramica delle strategie di distribuzione disponibili.
La guida Prestazioni migliori con tf.function fornisce informazioni su altre strategie e strumenti, come TensorFlow Profiler che puoi utilizzare per ottimizzare le prestazioni dei tuoi modelli TensorFlow.