# 分布式深度学习

*分布式训练将计算分散到多个GPU和机器上，以训练单个设备无法容纳或训练太慢的模型。本文件涵盖混合精度、数据并行、模型并行、流水线并行、ZeRO、FSDP、张量并行以及全规约等通信原语——这些对于大规模训练LLM至关重要。*

- 在单个GPU上训练大型神经网络最终会遇到瓶颈。模型可能无法放入内存，或者训练可能需要数月。分布式训练将工作分散到多个设备（GPU、TPU或整台机器）上，以更快地训练和训练更大的模型。本文件涵盖了实现这一目标的技术。

- 要理解为何分布式重要，从训练的**计算成本**开始。在一个包含 $d_{\text{in}}$ 个输入和 $d_{\text{out}}$ 个输出的密集层上，对一批 $B$ 个样本进行一次前向传播需要大约 $2 \cdot B \cdot d_{\text{in}} \cdot d_{\text{out}}$ 次FLOP（浮点运算）：对输出矩阵的每个元素进行一次乘法和一次加法。反向传播的成本大约是前向传播的两倍（计算相对于输入和权重的梯度），因此一个密集层的一个训练步骤约为 $6 \cdot B \cdot d_{\text{in}} \cdot d_{\text{out}}$ 次FLOP。

- 对于隐藏维度为 $d$ 的Transformer层，自注意力块涉及四个投影（Q、K、V和输出），每个的成本为 $O(B \cdot n \cdot d^2)$ 次FLOP（其中 $n$ 是序列长度），加上注意力矩阵计算 $O(B \cdot n^2 \cdot d)$。前馈块有两个密集层，通常扩展到 $4d$ 再回来：$O(B \cdot n \cdot 8d^2)$。每层总计：大约 $O(B \cdot n \cdot 12d^2 + B \cdot n^2 \cdot d)$。乘以层数，你就会明白为什么训练GPT规模的模型需要数千个GPU小时。

- **内存墙**通常是更严格的约束。在训练期间，GPU内存必须同时容纳四样东西：

![堆叠柱状图展示训练内存分解：参数、梯度、优化器状态、激活值](../images/training_memory_breakdown.svg)

- **参数**：模型权重。一个70亿参数的模型在FP32中（每个参数4字节）仅权重就需要28 GB。
- **梯度**：与参数大小相同。又是28 GB。
- **优化器状态**：Adam维护两个额外的缓冲区（一阶和二阶矩估计），每个与参数大小相同。即使模型使用较低精度，这些也以FP32格式保存以确保数值稳定性。对于我们的7B模型，那就是 $2 \times 28 = 56$ GB。
- **激活值**：在前向传播过程中保存下来供反向传播使用的中间值。大小取决于批量大小、序列长度和模型宽度。这通常是最主要的组成部分，并随批量大小线性增长。

- 对于使用FP32 Adam的7B模型：28（参数）+ 28（梯度）+ 56（优化器）= 112 GB，这还没算激活值。单个80 GB的A100 GPU无法容纳。这就是分布式策略至关重要的原因。

- **混合精度训练**是第一道防线。不是将所有内容存储在FP32（32位浮点）中，而是使用FP16或BF16（16位）进行前向和反向传播，同时将权重的FP32主副本保留给优化器更新。

- **FP16**具有高精度（10位尾数），但范围有限，可能导致上溢/下溢。损失缩放（在反向传播前将损失乘以一个大因子，然后将梯度除以相同因子）缓解了这个问题。

- **BF16**（脑浮点）具有与FP32相同的指数范围（8位指数），但精度较低（7位尾数）。它几乎从不溢出，很少需要损失缩放，因此使用更简单。BF16是现代Transformer训练的默认选择。

- 混合精度大致将激活值和梯度的内存减半（前向/反向传播期间的主要成本），同时将优化器状态保留在FP32中以确保数值稳定性。

- **数据并行**是最简单的分布式策略。你在 $N$ 个GPU上复制整个模型，将每个小批量分成 $N$ 个相等的块，并将一个块发送到每个GPU。每个GPU在其块上独立运行前向和反向传播。然后梯度在所有GPU上平均（使用全规约操作），每个GPU更新其本地模型副本。

- 从模型的角度来看，这相当于使用大了 $N$ 倍的小批量进行训练。如果每个GPU处理一个大小为 $B$ 的批次，则有效批量大小为 $N \cdot B$。

![并排比较：数据并行复制模型并分割数据，模型并行分割模型并分享数据](../images/data_model_parallelism.svg)

- 梯度平均可以同步或异步进行。**同步SGD**等待所有GPU完成后再进行平均，确保与使用更大批量的单GPU训练数学上等价。缺点是，最慢的GPU（"掉队者"）会拖慢所有人。

- **异步SGD**让每个GPU独立地更新一个共享的参数服务器，无需等待。这消除了掉队者问题，但引入了"陈旧梯度"：一个GPU可能基于略微过时的参数计算梯度。陈旧梯度增加了噪声，可能减缓收敛。在实践中，带高效通信的同步SGD更受青睐。

- **梯度累积**是一种软件技巧，用于在有限硬件上模拟更大的批量大小。不必每个小批量做一次更新，而是运行多次前向/反向传播并累积梯度，然后做一次更新。这与更大批量得到相同的结果，而无需更多GPU内存用于激活值（一次只有一个小批量的激活值在内存中）。

- 当模型本身太大无法放入单个GPU时，需要**模型并行**。有两种主要形式。

- **张量并行**将单个层分割到多个GPU上。一个大的矩阵乘法 $Y = XW$ 可以按列分割：将 $W$ 分区为 $[W_1, W_2]$ 分布在两个GPU上，并行计算 $Y_1 = XW_1$ 和 $Y_2 = XW_2$，然后拼接。这适用于注意力投影和前馈层。它需要GPU之间快速通信（通常是节点内的NVLink），因为每层都必须组合部分结果。

- **流水线并行**将不同的层分配到不同的GPU上。GPU 0运行第1-4层，GPU 1运行第5-8层，依此类推。数据像流水线一样流经整个管道。朴素的方法有一个"流水线气泡"：当GPU 0处理微批次1的前向传播时，GPU 1-3处于空闲状态。**微批处理**通过将小批量分割成更小的微批次来缓解这个问题，这些微批次按顺序流经流水线，使所有GPU大部分时间保持忙碌。

- **混合并行**结合了数据并行、张量并行和流水线并行。一个典型的大模型设置可能使用节点内的张量并行（8个GPU通过快速NVLink连接）、跨节点的流水线并行以及跨节点组的数据并行。这就是GPT-4和Llama等模型的训练方式。

- 分布式训练的效率在很大程度上取决于**通信**。关键操作是**全规约（all-reduce）**：给定 $N$ 个GPU上各有一个值，计算总和（或平均值）并将结果分发给所有GPU。

- 朴素的全规约将所有数据发送到一个GPU，求和，然后广播回来。通信量为 $O(N)$，并在根节点造成瓶颈。

- **环全规约（Ring all-reduce）** 要高效得多。将 $N$ 个GPU排列成一个环。每个GPU将其数据分割成 $N$ 块。在 $N - 1$ 步中，每个GPU向邻居发送一块，并从另一个邻居接收一块，累加部分和。再经过 $N - 1$ 步后，完整的总和传播到所有GPU。每个GPU的总数据传输量：数据大小的 $2(N-1)/N$ 倍，随着 $N$ 的增长趋近于 $2\times$。关键在于，这不随 $N$ 增加，使其带宽最优。

![四个GPU排列成环，每个将梯度块传递给邻居，直到所有GPU都得到完整总和](../images/ring_allreduce.svg)

- **参数服务器**是一种替代架构，其中专用服务器节点保存模型参数。工作节点计算梯度并将其发送到服务器，服务器更新参数并将其发送回来。这更简单，但可能在服务器处造成通信瓶颈。

- **NCCL**（NVIDIA集合通信库）是GPU间通信的标准库。它提供了全规约、全收集、广播和其他集合操作的高效实现，自动为网络拓扑选择最佳算法。

- **缩放定律**描述了模型性能如何随计算量、数据量和模型大小而提升。原始的Kaplan等人（2020）缩放定律发现，损失随每个因素以幂律方式下降：

$$L(N) \propto N^{-\alpha_N}, \quad L(D) \propto D^{-\alpha_D}, \quad L(C) \propto C^{-\alpha_C}$$

- 其中 $N$ 是参数数量，$D$ 是数据集大小，$C$ 是计算预算。

- **Chinchilla缩放定律**（Hoffmann等人，2022）表明大多数模型训练不足：对于给定的计算预算，应该训练一个更小的模型，使用比以前认为的更多的数据。最优比例大约是每参数20个token。一个7B模型应该看到大约140B个token，而不是Llama 1在65B模型上使用的300B个token。这一发现将领域转向了"计算最优"训练。

- **混合专家（MoE）** 是一种在不按比例增加计算量的情况下扩展模型容量的架构。每个Transformer层不是使用一个前馈网络，而是有 $N$ 个"专家"网络（每个都是一个标准FFN）。一个**门控网络**（路由器）检查每个token并将其发送到top-$K$个专家（通常 $K = 1$ 或 $K = 2$）。

![token通过门控网络路由到选定的专家，使用top-K稀疏路由和加权输出组合](../images/moe_routing.svg)

- 总参数量要大得多（因为有 $N$ 个专家），但每个token的FLOPs大致保持不变（因为每个token只有 $K$ 个专家激活）。例如，Mixtral 8x7B共有47B个参数，但每次前向传播只用大约13B，以较小模型的代价获得更大模型的性能。

- MoE带来了挑战。**负载均衡**：如果路由器将大多数token发送到同一个专家，其他专家就被浪费了。辅助损失鼓励均匀路由。**通信**：不同的专家可能位于不同的GPU上，因此路由token需要全对全通信，这很昂贵。

- **容错**在训练运行持续数周或数月、涉及数千个GPU时至关重要。如果单个GPU失效，你不想丢失所有进度。**检查点**定期将模型权重、优化器状态和训练状态（学习率、步数、数据位置）保存到磁盘。如果发生故障，你可以从最近的检查点重新开始。

- **梯度检查点**（也称为激活重计算）是一种内存优化，而非容错机制。在前向传播过程中，不是保存所有激活值供反向传播使用，而是只在某些检查点保存激活值。在反向传播过程中，从检查点重新计算缺失的激活值。这以计算换取内存：它使前向传播成本增加约33%，但可以将激活内存减少 $\sqrt{L}$ 倍（其中 $L$ 是层数）。

- 综合起来，训练前沿模型结合了所有这些技术：BF16混合精度、使用环全规约在数千个GPU上进行数据并行、节点内的张量并行、跨节点的流水线并行、减少内存的梯度检查点、提高参数效率的MoE，以及用于容错的定期检查点。系统工程与算法设计一样具有挑战性。

- 总结分布式训练工具包：

| 技术 | 作用 | 权衡 |
|---|---|---|
| 混合精度 (BF16) | 将激活值/梯度的内存减半 | 轻微数值差异 |
| 数据并行 | 在GPU间扩展批量大小 | 梯度同步的通信开销 |
| 张量并行 | 在GPU间分割层 | 需要快速互联 |
| 流水线并行 | 在GPU间分割模型阶段 | 流水线气泡（计算浪费） |
| 梯度累积 | 模拟大批量 | 更慢（多次前向/反向传播） |
| 梯度检查点 | 减少激活内存 | 约多33%计算 |
| 环全规约 | 高效的梯度平均 | 大模型受限于带宽 |
| MoE | 更多容量，相同FLOPs | 负载均衡、路由复杂性 |
| 缩放定律 | 指导计算分配 | 经验公式，未必在所有规模都成立 |

## 编程任务（使用CoLab或笔记本）

1. 计算Transformer层的FLOPs和内存需求。给定隐藏维度 $d$、序列长度 $n$、批量大小 $B$ 和层数，估计总训练成本。
```python
import jax.numpy as jnp

def transformer_layer_flops(d, n, B):
    """一个Transformer层前向传播的近似FLOPs。"""
    # QKV投影：3 * (B * n * d * d) * 2（乘法-加法）
    qkv_flops = 3 * 2 * B * n * d * d
    # 注意力：(B * n * n * d) * 2 用于QK^T，(B * n * n * d) * 2 用于attn*V
    attn_flops = 2 * 2 * B * n * n * d
    # 输出投影：(B * n * d * d) * 2
    out_flops = 2 * B * n * d * d
    # FFN：两层，d->4d 和 4d->d：2 * (B * n * d * 4d) * 2
    ffn_flops = 2 * 2 * B * n * d * 4 * d
    return qkv_flops + attn_flops + out_flops + ffn_flops

def transformer_layer_memory(d, n, B, dtype_bytes=2):
    """一个层的近似激活内存（字节）。"""
    # QKV：3 * B * n * d
    qkv_mem = 3 * B * n * d * dtype_bytes
    # 注意力权重：B * heads * n * n（近似 B * n * n * sizeof）
    attn_mem = B * n * n * dtype_bytes
    # FFN中间值：B * n * 4d
    ffn_mem = B * n * 4 * d * dtype_bytes
    return qkv_mem + attn_mem + ffn_mem

# 示例：GPT-2规模
d, n, B, L = 1024, 1024, 8, 24
fwd_flops = transformer_layer_flops(d, n, B)
total_flops = 3 * L * fwd_flops  # 前向+反向的3倍
act_mem = L * transformer_layer_memory(d, n, B)
param_count = L * (12 * d * d + 13 * d)  # 近似

print(f"模型：d={d}, n={n}, B={B}, L={L}")
print(f"参数：{param_count / 1e6:.0f}M")
print(f"每步FLOPs：{total_flops / 1e12:.2f} TFLOPs")
print(f"激活内存：{act_mem / 1e9:.2f} GB (BF16)")
print(f"参数内存 (FP32)：{param_count * 4 / 1e9:.2f} GB")
print(f"Adam优化器内存：{param_count * 8 / 1e9:.2f} GB")
print(f"总训练内存：{(param_count * 16 + act_mem) / 1e9:.2f} GB")
```

2. 模拟数据并行训练。将数据集分割到多个"虚拟GPU"上，独立计算梯度，平均它们，并验证结果与单GPU训练匹配。
```python
import jax
import jax.numpy as jnp

# 简单线性模型：y = wx + b
key = jax.random.PRNGKey(0)
X = jax.random.normal(key, (64, 4))
w_true = jnp.array([1.0, -2.0, 3.0, 0.5])
y = X @ w_true + 0.1 * jax.random.normal(key, (64,))

def loss_fn(w, X, y):
    return jnp.mean((X @ w - y) ** 2)

grad_fn = jax.grad(loss_fn)

# 单GPU：全批量梯度
w = jnp.zeros(4)
grad_single = grad_fn(w, X, y)

# 数据并行：分割到4个"GPU"上
n_gpus = 4
chunk_size = len(X) // n_gpus
grads = []
for i in range(n_gpus):
    X_chunk = X[i*chunk_size:(i+1)*chunk_size]
    y_chunk = y[i*chunk_size:(i+1)*chunk_size]
    grads.append(grad_fn(w, X_chunk, y_chunk))

# 全规约：平均梯度
grad_parallel = jnp.mean(jnp.stack(grads), axis=0)

print("单GPU梯度：", grad_single)
print("数据并行梯度（平均）：", grad_parallel)
print(f"匹配：{jnp.allclose(grad_single, grad_parallel, atol=1e-5)}")

# 训练两者并比较
w_single, w_parallel = jnp.zeros(4), jnp.zeros(4)
lr = 0.1
for step in range(100):
    w_single = w_single - lr * grad_fn(w_single, X, y)

    grads = [grad_fn(w_parallel, X[i*chunk_size:(i+1)*chunk_size],
                     y[i*chunk_size:(i+1)*chunk_size]) for i in range(n_gpus)]
    avg_grad = jnp.mean(jnp.stack(grads), axis=0)
    w_parallel = w_parallel - lr * avg_grad

print(f"\n100步之后：")
print(f"单GPU权重：{w_single}")
print(f"数据并行权重：{w_parallel}")
print(f"最大差异：{jnp.max(jnp.abs(w_single - w_parallel)):.2e}")
```

3. 实现一个简单的混合专家层。创建一个门控网络，将token路由到top-K个专家并组合它们的输出。
```python
import jax
import jax.numpy as jnp

def expert_fn(x, W1, b1, W2, b2):
    """简单的2层FFN专家。"""
    h = jnp.maximum(0, x @ W1 + b1)  # ReLU
    return h @ W2 + b2

def moe_layer(x, gate_W, experts_params, top_k=2):
    """
    MoE前向传播。
    x: (batch, d_model)
    gate_W: (d_model, n_experts)
    experts_params: 每个专家的 (W1, b1, W2, b2) 列表
    """
    n_experts = len(experts_params)

    # 门控：计算路由分数
    gate_logits = x @ gate_W  # (batch, n_experts)
    gate_probs = jax.nn.softmax(gate_logits, axis=-1)

    # Top-K选择
    top_k_indices = jnp.argsort(-gate_probs, axis=-1)[:, :top_k]
    top_k_probs = jnp.take_along_axis(gate_probs, top_k_indices, axis=-1)
    # 重新归一化
    top_k_probs = top_k_probs / jnp.sum(top_k_probs, axis=-1, keepdims=True)

    # 计算专家输出（简化：运行所有专家，稍后掩码）
    expert_outputs = jnp.stack([
        expert_fn(x, *experts_params[i]) for i in range(n_experts)
    ], axis=1)  # (batch, n_experts, d_model)

    # 收集top-K专家输出并加权
    batch_idx = jnp.arange(x.shape[0])[:, None]
    selected_outputs = expert_outputs[batch_idx, top_k_indices]  # (batch, top_k, d_model)
    output = jnp.sum(selected_outputs * top_k_probs[:, :, None], axis=1)

    return output, gate_probs

# 设置
key = jax.random.PRNGKey(42)
batch, d_model, d_ff, n_experts = 8, 16, 32, 4

# 初始化专家
experts_params = []
for i in range(n_experts):
    k1, k2, key = jax.random.split(key, 3)[0], jax.random.split(key, 3)[1], jax.random.split(key, 3)[2]
    experts_params.append((
        jax.random.normal(k1, (d_model, d_ff)) * 0.1,
        jnp.zeros(d_ff),
        jax.random.normal(k2, (d_ff, d_model)) * 0.1,
        jnp.zeros(d_model),
    ))

key, subkey = jax.random.split(key)
gate_W = jax.random.normal(subkey, (d_model, n_experts)) * 0.1
x = jax.random.normal(key, (batch, d_model))

output, gate_probs = moe_layer(x, gate_W, experts_params, top_k=2)

print(f"输入形状：{x.shape}")
print(f"输出形状：{output.shape}")
print(f"门控概率（第一个样本）：{gate_probs[0]}")
print(f"专家使用率（批量平均）：")
for i in range(n_experts):
    usage = jnp.mean(gate_probs[:, i])
    print(f"  专家 {i}: {usage:.3f}")
```
