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pytorch 如何使用amp进行混合精度训练

86 次  2021-06-07  分类 : python教程

简介

AMP:Automatic mixed precision,自动混合精度,可以在神经网络推理过程中,针对不同的层,采用不同的数据精度进行计算,从而实现节省显存和加快速度的目的。

在Pytorch 1.5版本及以前,通过NVIDIA提供的apex库可以实现amp功能。但是在使用过程中会伴随着一些版本兼容和奇怪的报错问题。

从1.6版本开始,Pytorch原生支持自动混合精度训练,并已进入稳定阶段,AMP 训练能在 Tensor Core GPU 上实现更高的性能并节省多达 50% 的内存。

环境

Python 3.8

Pytorch 1.7.1

CUDA 11 + cudnn 8

NVIDIA GeFore RTX 3070

ps:后续使用移动端的3070,或者3080结合我目前训练的分类网络来测试实际效果

原理

关于低精度计算

当前的深度学习框架大都采用的都是FP32来进行权重参数的存储,比如Python float的类型为双精度浮点数 FP64,PyTorch Tensor的默认类型为单精度浮点数FP32。

随着模型越来越大,加速训练模型的需求就产生了。在深度学习模型中使用FP32主要存在几个问题,第一模型尺寸大,训练的时候对显卡的显存要求高;第二模型训练速度慢;第三模型推理速度慢。

其解决方案就是使用低精度计算对模型进行优化。

推理过程中的模型优化目前比较成熟的方案就是FP16量化和INT8量化,NVIDIA TensorRT等框架就可以支持,这里不再赘述。训练方面的方案就是混合精度训练,它的基本思想很简单: 精度减半(FP32→ FP16) ,训练时间减半。

与单精度浮点数float32(32bit,4个字节)相比,半精度浮点数float16仅有16bit,2个字节组成。

可以很明显的看到,使用FP16可以解决或者缓解上面FP32的两个问题:显存占用更少:通用的模型FP16占用的内存只需原来的一半,训练的时候可以使用更大的batchsize。

计算速度更快:有论文指出半精度的计算吞吐量可以是单精度的 2-8 倍。

从上到下依次为 fp16、fp32 、fp64

当前很多NVIDIA GPU搭载了专门为快速FP16矩阵运算设计的特殊用途Tensor Core,比如Tesla P100,Tesla V100、Tesla A100、GTX 20XX 和RTX 30XX等。

Tensor Core是一种矩阵乘累加的计算单元,每个Tensor Core每个时钟执行64个浮点混合精度操作(FP16矩阵相乘和FP32累加),英伟达宣称使用Tensor Core进行矩阵运算可以轻易的提速,同时降低一半的显存访问和存储。

随着Tensor Core的普及FP16计算也一步步走向成熟,低精度计算也是未来深度学习的一个重要趋势。

Tensor Core 的 4x4x4 矩阵乘法与累加

Volta GV100 Tensor Core 流程图

自动混合精度训练

不同于在推理过程中直接削减权重精度,在模型训练的过程中,直接使用半精度进行计算会导致的两个问题的处理:舍入误差(Rounding Error)和溢出错误(Grad Overflow / Underflow)。

舍入误差: float16的最大舍入误差约为 (~2 ^-10 ),比float32的最大舍入误差(~2 ^-23) 要大不少。 对足够小的浮点数执行的任何操作都会将该值四舍五入到零,在反向传播中很多甚至大多数梯度更新值都非常小,但不为零。 在反向传播中舍入误差累积可以把这些数字变成0或者 nan, 这会导致不准确的梯度更新,影响网络的收敛。

溢出错误: 由于float16的有效的动态范围约为 ( 5.96×10^-8 ~ 6.55×10^4),比单精度的float32(1.4x10^-45 ~ 1.7x10^38)要狭窄很多,精度下降(小数点后16相比较小数点后8位要精确的多)会导致得到的值大于或者小于fp16的有效动态范围,也就是上溢出或者下溢出。

在深度学习中,由于激活函数的的梯度往往要比权重梯度小,更易出现下溢出的情况。2018年ICLR论文 Mixed Precision Training 中提到,简单的在每个地方使用FP16会损失掉梯度更新小于2^-24的值——大约占他们的示例网络所有梯度更新的5%。

解决方案就是使用混合精度训练(Mixed Precision)和损失缩放(Loss Scaling):

1、混合精度训练:

混合精度训练是一种通过在FP16上执行尽可能多的操作来大幅度减少神经网络训练时间的技术,在像线性层或是卷积操作上,FP16运算较快,但像Reduction运算又需要 FP32的动态范围。通过混合精度训练的方式,便可以在部分运算操作使用FP16,另一部分则使用 FP32,混合精度功能会尝试为每个运算使用相匹配的数据类型,在内存中用FP16做储存和乘法从而加速计算,用FP32做累加避免舍入误差。这样在权重更新的时候就不会出现舍入误差导致更新失败,混合精度训练的策略有效地缓解了舍入误差的问题。

2、损失缩放:

即使用了混合精度训练,还是会存在无法收敛的情况,原因是激活梯度的值太小,造成了下溢出。损失缩放是指在执行反向传播之前,将损失函数的输出乘以某个标量数(论文建议从8开始)。 乘性增加的损失值产生乘性增加的梯度更新值,提升许多梯度更新值到超过FP16的安全阈值2^-24。 只要确保在应用梯度更新之前撤消缩放,并且不要选择一个太大的缩放以至于产生inf权重更新(上溢出) ,从而导致网络向相反的方向发散。

使用Pytorch AMP

Pytorch原生的amp模式使用起来相当简单,只需要从torch.cuda.amp导入GradScaler和 autocast这两个函数即可。torch.cuda.amp的名字意味着这个功能只能在cuda上使用,事实上,这个功能正是NVIDIA的开发人员贡献到PyTorch项目中的。

Pytorch在amp模式下维护两个权重矩阵的副本,一个主副本用 FP32,一个半精度副本用 FP16。 梯度更新使用FP16矩阵计算,但更新于 FP32矩阵。 这使得应用梯度更新更加安全。

autocast上下文管理器实现了 FP32到FP16的转换,它会自动判别哪些层可以进行FP16哪些层不可以。 GradScaler对梯度更新计算(检查是否溢出)和优化器(将丢弃的batches转换为 no-op)进行控制,通过放大loss的值来防止梯度的溢出。

在训练中的具体使用方法如下所示:

def train():
    batch_size = 8
    epochs = 10
    lr = 1e-3
    size = 256
    num_class = 35
    use_amp = True 
    device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu' 
    print('torch version: {}'.format(torch.__version__))
    print('amp:           {}'.format(use_amp))
    print('device:        {}'.format(device))
    print('epochs:        {}'.format(epochs))
    print('learn rate:    {}'.format(lr))
    print('batch size:    {}'.format(batch_size))

    net = ERFNet(num_classes=num_class).to(device) 
    train_data = CityScapesDataset('D:\\dataset\\cityscapes',
                                   'D:\\dataset\\cityscapes\\trainImages.txt',
                                   'D:\\dataset\\cityscapes\\trainLabels.txt',
                                   size, num_class)
    val_data = CityScapesDataset('D:\\dataset\\cityscapes',
                                 'D:\\dataset\\cityscapes\\valImages.txt',
                                 'D:\\dataset\\cityscapes\\valLabels.txt',
                                 size, num_class)

    train_dataloader = DataLoader(train_data, batch_size=batch_size, shuffle=False, num_workers=8)
    val_dataloader = DataLoader(val_data, batch_size=batch_size, shuffle=False, num_workers=4)

    opt = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=lr)
    criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=255)

    if use_amp:
        scaler = torch.cuda.amp.GradScaler() 
    writer = SummaryWriter("summary") 
    train_loss = AverageMeter()
    val_acc = AverageMeter()
    val_miou = AverageMeter()

    for epoch in range(0, epochs):
        train_loss.reset()
        val_acc.reset()
        val_miou.reset()

        with tqdm(total=train_data.__len__(), unit='img', desc="Epoch {}/{}".format(epoch + 1, epochs)) as pbar:
            # train
            net.train()
            for img, mask in train_dataloader:
                img = img.to(device)
                mask = mask.to(device)
                n = img.size()[0] 
                opt.zero_grad()

                if use_amp:
                    with torch.cuda.amp.autocast():
                        output = net(img)
                        loss = criterion(output, mask)

                    scaler.scale(loss).backward()
                    scaler.step(opt)
                    scaler.update()
                else:
                    output = net(img)
                    loss = criterion(output, mask)
                    loss.backward()
                    opt.step() 
                train_loss.update(loss.item(), n)

                pbar.set_postfix(**{"loss": train_loss.avg})
                pbar.update(img.size()[0])

            writer.add_scalar('train_loss', train_loss.avg, epoch)
            # eval
            net.eval()
            for img, mask in val_dataloader:
                img = img.to(device)
                mask = mask
                n = img.size()[0] 
                output = net(img) 
                pred_mask = torch.softmax(output, dim=1)
                pred_mask = pred_mask.detach().cpu().numpy()
                pred_mask = np.argmax(pred_mask, axis=1)
                true_mask = mask.numpy()
                acc, acc_cls, mean_iu, fwavacc = evaluate(pred_mask, true_mask, num_class)

                val_acc.update(acc)
                val_miou.update(mean_iu)

            writer.add_scalar('val_acc', val_acc.avg, epoch)
            writer.add_scalar('val_miou', val_miou.avg, epoch) 
            pbar.set_postfix(**{"loss": train_loss.avg, "val_acc": val_acc.avg, "val_miou": val_miou.avg})

实验

硬件使用NVIDIA Geforce RTX 3070作为测试卡,这块卡有184个Tensor Core,能比较好的支持amp模式。

模型使用ERFNet分割模型作为基准,cityscapes作为测试数据,10个epoch下的测试效果如下所示:

在模型的训练性能方面,amp模式下的平均训练时间并没有明显节省,甚至还略低于正常模式。

显存的占用大约节省了25%,对于需要大量显存的模型来说这个提升还是相当可观的。

理论上训练速度应该也是有提升的,到Pytorch的GitHub issue里翻了一下,好像30系显卡会存在速度提不上来的问题,不太清楚是驱动支持不到位还是软件适配不到位。

Metrics time memory
AMP 66.72s 2.5G
NO_AMP 65.64s 3.3G

amp

no_amp

在模型的精度方面,在不进行数据shuffle的情况下统计了10个epoch下两种模式的train_loss和val_acc,可以看出不管是训练还是推理,amp模式并没有带来明显的精度损失。

cmp

以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持python博客。

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本文链接:https://www.94e.cn/info/6902

标签:numpy  

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