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Formazione multi-lavoratore con Estimator

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Avvertenza: gli estimatori non sono consigliati per il nuovo codice. Gli estimatori eseguono codice in stile v1.Session che è più difficile da scrivere correttamente e può comportarsi in modo imprevisto, specialmente se combinato con il codice TF 2. Gli estimatori rientrano nelle garanzie di compatibilità , ma non riceveranno correzioni diverse dalle vulnerabilità della sicurezza. Consulta la guida alla migrazione per i dettagli.

Panoramica

Questo tutorial mostra come tf.distribute.Strategy può essere utilizzato per la formazione distribuita di più lavoratori con tf.estimator . Se scrivi il tuo codice usando tf.estimator e sei interessato a scalare oltre una singola macchina con prestazioni elevate, questo tutorial fa per te.

Prima di iniziare, leggi la guida alla strategia di distribuzione . Anche il tutorial di formazione multi-GPU è rilevante, poiché questo tutorial utilizza lo stesso modello.

Impostare

Innanzitutto, imposta TensorFlow e le importazioni necessarie.

import tensorflow_datasets as tfds
import tensorflow as tf

import os, json

tf.compat.v1.disable_eager_execution()

Funzione di ingresso

Questo tutorial utilizza il set di dati MNIST di TensorFlow Datasets . Il codice qui è simile al tutorial di formazione multi-GPU con una differenza fondamentale: quando si utilizza Estimator per la formazione multi-lavoratore, è necessario dividere il set di dati in base al numero di lavoratori per garantire la convergenza del modello. I dati di input vengono partizionati in base all'indice di lavoro, in modo che ogni lavoratore 1/num_workers porzioni distinte del set di dati.

BUFFER_SIZE = 10000
BATCH_SIZE = 64

def input_fn(mode, input_context=None):
  datasets, info = tfds.load(name='mnist',
                                with_info=True,
                                as_supervised=True)
  mnist_dataset = (datasets['train'] if mode == tf.estimator.ModeKeys.TRAIN else
                   datasets['test'])

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

  if input_context:
    mnist_dataset = mnist_dataset.shard(input_context.num_input_pipelines,
                                        input_context.input_pipeline_id)
  return mnist_dataset.map(scale).cache().shuffle(BUFFER_SIZE).batch(BATCH_SIZE)

Un altro approccio ragionevole per ottenere la convergenza sarebbe quello di mescolare il set di dati con semi distinti per ciascun lavoratore.

Configurazione multi-operatore

Una delle differenze principali in questo tutorial (rispetto al tutorial di formazione multi-GPU ) è la configurazione multi-worker. La variabile di ambiente TF_CONFIG è il modo standard per specificare la configurazione del cluster per ogni lavoratore che fa parte del cluster.

Ci sono due componenti di TF_CONFIG : cluster e task . cluster fornisce informazioni sull'intero cluster, ovvero i worker e i server dei parametri nel cluster. task fornisce informazioni sull'attività corrente. Il primo cluster di componenti è lo stesso per tutti i worker e i server dei parametri nel cluster, mentre la seconda task del componente è diversa su ciascun worker e server dei parametri e specifica il proprio type e index . In questo esempio, il type di attività è worker e l' index di attività è 0 .

A scopo illustrativo, questo tutorial mostra come impostare un TF_CONFIG con 2 worker su localhost . In pratica, creeresti più lavoratori su un indirizzo IP e una porta esterni e imposteresti TF_CONFIG su ciascun lavoratore in modo appropriato, ovvero modificare l' index delle attività.

os.environ['TF_CONFIG'] = json.dumps({
    'cluster': {
        'worker': ["localhost:12345", "localhost:23456"]
    },
    'task': {'type': 'worker', 'index': 0}
})

Definisci il modello

Scrivi i livelli, l'ottimizzatore e la funzione di perdita per l'allenamento. Questo tutorial definisce il modello con i livelli Keras, in modo simile al tutorial di formazione multi-GPU .

LEARNING_RATE = 1e-4
def model_fn(features, labels, mode):
  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)
  ])
  logits = model(features, training=False)

  if mode == tf.estimator.ModeKeys.PREDICT:
    predictions = {'logits': logits}
    return tf.estimator.EstimatorSpec(labels=labels, predictions=predictions)

  optimizer = tf.compat.v1.train.GradientDescentOptimizer(
      learning_rate=LEARNING_RATE)
  loss = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(
      from_logits=True, reduction=tf.keras.losses.Reduction.NONE)(labels, logits)
  loss = tf.reduce_sum(loss) * (1. / BATCH_SIZE)
  if mode == tf.estimator.ModeKeys.EVAL:
    return tf.estimator.EstimatorSpec(mode, loss=loss)

  return tf.estimator.EstimatorSpec(
      mode=mode,
      loss=loss,
      train_op=optimizer.minimize(
          loss, tf.compat.v1.train.get_or_create_global_step()))

MultiWorkerMirroredStrategy

Per addestrare il modello, utilizzare un'istanza di tf.distribute.experimental.MultiWorkerMirroredStrategy . MultiWorkerMirroredStrategy crea copie di tutte le variabili nei livelli del modello su ciascun dispositivo in tutti i lavoratori. Utilizza CollectiveOps , un'operazione TensorFlow per la comunicazione collettiva, per aggregare i gradienti e mantenere sincronizzate le variabili. La guida tf.distribute.Strategy contiene maggiori dettagli su questa strategia.

strategy = tf.distribute.experimental.MultiWorkerMirroredStrategy()

WARNING:tensorflow:From /tmp/ipykernel_7505/349189047.py:1: _CollectiveAllReduceStrategyExperimental.__init__ (from tensorflow.python.distribute.collective_all_reduce_strategy) is deprecated and will be removed in a future version.
Instructions for updating:
use distribute.MultiWorkerMirroredStrategy instead
INFO:tensorflow:Single-worker MultiWorkerMirroredStrategy with local_devices = ('/device:GPU:0',), communication = CommunicationImplementation.AUTO

Addestrare e valutare il modello

Quindi, specifica la strategia di distribuzione in RunConfig per lo stimatore e addestra e valuta richiamando tf.estimator.train_and_evaluate . Questo tutorial distribuisce solo la formazione specificando la strategia tramite train_distribute . È anche possibile distribuire la valutazione tramite eval_distribute .

config = tf.estimator.RunConfig(train_distribute=strategy)

classifier = tf.estimator.Estimator(
    model_fn=model_fn, model_dir='/tmp/multiworker', config=config)
tf.estimator.train_and_evaluate(
    classifier,
    train_spec=tf.estimator.TrainSpec(input_fn=input_fn),
    eval_spec=tf.estimator.EvalSpec(input_fn=input_fn)
)

INFO:tensorflow:Initializing RunConfig with distribution strategies.
INFO:tensorflow:Not using Distribute Coordinator.
INFO:tensorflow:Using config: {'_model_dir': '/tmp/multiworker', '_tf_random_seed': None, '_save_summary_steps': 100, '_save_checkpoints_steps': None, '_save_checkpoints_secs': 600, '_session_config': allow_soft_placement: true
graph_options {
  rewrite_options {
    meta_optimizer_iterations: ONE
  }
}
, '_keep_checkpoint_max': 5, '_keep_checkpoint_every_n_hours': 10000, '_log_step_count_steps': 100, '_train_distribute': <tensorflow.python.distribute.collective_all_reduce_strategy._CollectiveAllReduceStrategyExperimental object at 0x7f3404234490>, '_device_fn': None, '_protocol': None, '_eval_distribute': None, '_experimental_distribute': None, '_experimental_max_worker_delay_secs': None, '_session_creation_timeout_secs': 7200, '_checkpoint_save_graph_def': True, '_service': None, '_cluster_spec': ClusterSpec({}), '_task_type': 'worker', '_task_id': 0, '_global_id_in_cluster': 0, '_master': '', '_evaluation_master': '', '_is_chief': True, '_num_ps_replicas': 0, '_num_worker_replicas': 1, '_distribute_coordinator_mode': None}
INFO:tensorflow:Not using Distribute Coordinator.
INFO:tensorflow:Running training and evaluation locally (non-distributed).
INFO:tensorflow:Start train and evaluate loop. The evaluate will happen after every checkpoint. Checkpoint frequency is determined based on RunConfig arguments: save_checkpoints_steps None or save_checkpoints_secs 600.
WARNING:tensorflow:From /tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/tensorflow_estimator/python/estimator/estimator.py:1244: StrategyBase.configure (from tensorflow.python.distribute.distribute_lib) is deprecated and will be removed in a future version.
Instructions for updating:
use `update_config_proto` instead.
INFO:tensorflow:The `input_fn` accepts an `input_context` which will be given by DistributionStrategy
INFO:tensorflow:Calling model_fn.
/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 "
INFO:tensorflow:Calling model_fn.
INFO:tensorflow:Done calling model_fn.
INFO:tensorflow:Done calling model_fn.
INFO:tensorflow:Create CheckpointSaverHook.
INFO:tensorflow:Create CheckpointSaverHook.
WARNING:tensorflow:From /tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/tensorflow_estimator/python/estimator/util.py:95: DistributedIteratorV1.initialize (from tensorflow.python.distribute.v1.input_lib) is deprecated and will be removed in a future version.
Instructions for updating:
Use the iterator's `initializer` property instead.
WARNING:tensorflow:From /tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/tensorflow_estimator/python/estimator/util.py:95: DistributedIteratorV1.initialize (from tensorflow.python.distribute.v1.input_lib) is deprecated and will be removed in a future version.
Instructions for updating:
Use the iterator's `initializer` property instead.
INFO:tensorflow:Graph was finalized.
INFO:tensorflow:Graph was finalized.
INFO:tensorflow:Running local_init_op.
INFO:tensorflow:Running local_init_op.
INFO:tensorflow:Done running local_init_op.
INFO:tensorflow:Done running local_init_op.
INFO:tensorflow:Calling checkpoint listeners before saving checkpoint 0...
INFO:tensorflow:Calling checkpoint listeners before saving checkpoint 0...
INFO:tensorflow:Saving checkpoints for 0 into /tmp/multiworker/model.ckpt.
INFO:tensorflow:Saving checkpoints for 0 into /tmp/multiworker/model.ckpt.
INFO:tensorflow:Calling checkpoint listeners after saving checkpoint 0...
INFO:tensorflow:Calling checkpoint listeners after saving checkpoint 0...
2022-01-26 05:29:43.503603: W tensorflow/core/grappler/utils/graph_view.cc:836] No registered 'MultiDeviceIteratorFromStringHandle' OpKernel for GPU devices compatible with node { {node MultiDeviceIteratorFromStringHandle} }
    .  Registered:  device='CPU'

2022-01-26 05:29:43.504873: W tensorflow/core/grappler/utils/graph_view.cc:836] No registered 'MultiDeviceIteratorGetNextFromShard' OpKernel for GPU devices compatible with node { {node MultiDeviceIteratorGetNextFromShard} }
    .  Registered:  device='CPU'
INFO:tensorflow:loss = 2.292878, step = 0
INFO:tensorflow:loss = 2.292878, step = 0
INFO:tensorflow:global_step/sec: 173.275
INFO:tensorflow:global_step/sec: 173.275
INFO:tensorflow:loss = 2.29561, step = 100 (0.579 sec)
INFO:tensorflow:loss = 2.29561, step = 100 (0.579 sec)
INFO:tensorflow:global_step/sec: 189.057
INFO:tensorflow:global_step/sec: 189.057
INFO:tensorflow:loss = 2.2644367, step = 200 (0.529 sec)
INFO:tensorflow:loss = 2.2644367, step = 200 (0.529 sec)
INFO:tensorflow:global_step/sec: 193.075
INFO:tensorflow:global_step/sec: 193.075
INFO:tensorflow:loss = 2.2662685, step = 300 (0.517 sec)
INFO:tensorflow:loss = 2.2662685, step = 300 (0.517 sec)
INFO:tensorflow:global_step/sec: 199.957
INFO:tensorflow:global_step/sec: 199.957
INFO:tensorflow:loss = 2.2667098, step = 400 (0.500 sec)
INFO:tensorflow:loss = 2.2667098, step = 400 (0.500 sec)
INFO:tensorflow:global_step/sec: 204.217
INFO:tensorflow:global_step/sec: 204.217
INFO:tensorflow:loss = 2.251912, step = 500 (0.490 sec)
INFO:tensorflow:loss = 2.251912, step = 500 (0.490 sec)
INFO:tensorflow:global_step/sec: 201.747
INFO:tensorflow:global_step/sec: 201.747
INFO:tensorflow:loss = 2.2633677, step = 600 (0.496 sec)
INFO:tensorflow:loss = 2.2633677, step = 600 (0.496 sec)
INFO:tensorflow:global_step/sec: 206.079
INFO:tensorflow:global_step/sec: 206.079
INFO:tensorflow:loss = 2.2531767, step = 700 (0.485 sec)
INFO:tensorflow:loss = 2.2531767, step = 700 (0.485 sec)
INFO:tensorflow:global_step/sec: 231.299
INFO:tensorflow:global_step/sec: 231.299
INFO:tensorflow:loss = 2.2578738, step = 800 (0.433 sec)
INFO:tensorflow:loss = 2.2578738, step = 800 (0.433 sec)
INFO:tensorflow:global_step/sec: 657.044
INFO:tensorflow:global_step/sec: 657.044
INFO:tensorflow:loss = 2.2344787, step = 900 (0.150 sec)
INFO:tensorflow:loss = 2.2344787, step = 900 (0.150 sec)
INFO:tensorflow:Calling checkpoint listeners before saving checkpoint 938...
INFO:tensorflow:Calling checkpoint listeners before saving checkpoint 938...
INFO:tensorflow:Saving checkpoints for 938 into /tmp/multiworker/model.ckpt.
INFO:tensorflow:Saving checkpoints for 938 into /tmp/multiworker/model.ckpt.
INFO:tensorflow:Calling checkpoint listeners after saving checkpoint 938...
INFO:tensorflow:Calling checkpoint listeners after saving checkpoint 938...
INFO:tensorflow:Calling model_fn.
INFO:tensorflow:Calling model_fn.
INFO:tensorflow:Done calling model_fn.
INFO:tensorflow:Done calling model_fn.
INFO:tensorflow:Starting evaluation at 2022-01-26T05:29:56
INFO:tensorflow:Starting evaluation at 2022-01-26T05:29:56
INFO:tensorflow:Graph was finalized.
INFO:tensorflow:Graph was finalized.
INFO:tensorflow:Restoring parameters from /tmp/multiworker/model.ckpt-938
INFO:tensorflow:Restoring parameters from /tmp/multiworker/model.ckpt-938
INFO:tensorflow:Running local_init_op.
INFO:tensorflow:Running local_init_op.
INFO:tensorflow:Done running local_init_op.
INFO:tensorflow:Done running local_init_op.
INFO:tensorflow:Evaluation [10/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [10/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [20/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [20/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [30/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [30/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [40/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [40/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [50/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [50/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [60/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [60/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [70/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [70/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [80/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [80/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [90/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [90/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [100/100]
INFO:tensorflow:Evaluation [100/100]
INFO:tensorflow:Inference Time : 2.04637s
INFO:tensorflow:Inference Time : 2.04637s
INFO:tensorflow:Finished evaluation at 2022-01-26-05:29:58
INFO:tensorflow:Finished evaluation at 2022-01-26-05:29:58
INFO:tensorflow:Saving dict for global step 938: global_step = 938, loss = 2.234131
INFO:tensorflow:Saving dict for global step 938: global_step = 938, loss = 2.234131
INFO:tensorflow:Saving 'checkpoint_path' summary for global step 938: /tmp/multiworker/model.ckpt-938
INFO:tensorflow:Saving 'checkpoint_path' summary for global step 938: /tmp/multiworker/model.ckpt-938
INFO:tensorflow:Loss for final step: 1.10881.
INFO:tensorflow:Loss for final step: 1.10881.
({'loss': 2.234131, 'global_step': 938}, [])

Ottimizza le prestazioni di allenamento

Ora hai un modello e uno stimatore con capacità multi-lavoratore basato su tf.distribute.Strategy . Puoi provare le seguenti tecniche per ottimizzare le prestazioni della formazione multi-lavoratore:

Aumenta la dimensione del batch: la dimensione del batch qui specificata è per GPU. In generale, è consigliabile la dimensione del batch più grande che si adatta alla memoria della GPU.
Trasmetti variabili: esegui il cast delle variabili su tf.float se possibile. Il modello ufficiale di ResNet include un esempio di come questo può essere fatto.
Usa la comunicazione collettiva: MultiWorkerMirroredStrategy fornisce più implementazioni di comunicazione collettiva .
- RING implementa collettivi basati su anello utilizzando gRPC come livello di comunicazione tra host.
- NCCL utilizza NCCL di Nvidia per implementare i collettivi.
- AUTO rinvia la scelta al runtime.
La migliore scelta di implementazione collettiva dipende dal numero e dal tipo di GPU e dall'interconnessione di rete nel cluster. Per ignorare la scelta automatica, specificare un valore valido nel parametro di communication del costruttore di MultiWorkerMirroredStrategy , ad esempio communication=tf.distribute.experimental.CollectiveCommunication.NCCL .

Visita la sezione Prestazioni nella guida per saperne di più su altre strategie e strumenti che puoi utilizzare per ottimizzare le prestazioni dei tuoi modelli TensorFlow.

Altri esempi di codice

Esempio end-to-end per la formazione multi-operatore in tensorflow/ecosistema utilizzando i modelli Kubernetes. Questo esempio inizia con un modello Keras e lo converte in uno Estimator utilizzando l'API tf.keras.estimator.model_to_estimator .
Modelli ufficiali , molti dei quali possono essere configurati per eseguire più strategie di distribuzione.