TACO云原生最佳实践

原创

远远小七宝

修改于 2022-12-02 10:36:53

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修改于 2022-12-02 10:36:53

文章被收录于专栏：泛互云原生

概述

业界AI应用中，GPU的使用逐渐增加，腾讯云TACO是一种异构计算加速软件服务，搭配腾讯自研的软硬件协同优化组件和硬件厂商特有优化方案，支持物理机、云服务器、容器等产品的计算加速、图形渲染、视频转码各个应用场景，帮助用户实现全方位全场景的降本增效。

本实践采用TACO Train AI中的HARP、LightCC优化技术，通过无侵入式方式，对Horovod分布式训练框架进行优化加速。过程中通过不同训练模型，不同Batch-Size，验证TACO在训练速度上的优化效果。

TACO云原生环境安装

版本

本次实践环境，采用腾讯云TKE，其中

TKE 版本：v1.18（TKE 1.22暂不支持mpi-operator）
节点：GN10X.2XLARGE40 * 4
节点OS：tencentos 3.1(tk4)，CentOS 7/8，ubuntu 18/20
GPU型号：T4 / V100 / A10 / A30 / A100
GPU驱动版本：450或470

安装MPI环境

按照版本要求，创建TKE集群，网络选择GlobalRouter模式
开启GPU节点，本实践采用4台V100服务器，2台部署Horovod原生环境，2台部署TACO优化环境
通过【容器服务】-【应用】，在目标TKE集群中，安装mpi-operator

安装完毕后，可以在对应的命名空间中，查询到对应pod

安装HARP环境

为TKE集群添加GPU CVM节点，本实践采用V100 GPU，型号为GN10X.2XLARGE40，共4台。
开通完毕后，在GPU CVM控制台上，新建弹性网卡ENI。其中，弹性网卡数量等于GPU卡的数量

通过Workbench登录虚拟机，执行以下脚本，初始化HARP环境

curl -s -L http://mirrors.tencent.com/install/GPU/taco/taco_setup.sh | sudo bash

重启CVM
通过以下命令，检查大页内存及用户态协议栈配置
- 执行以下命令，如果显示HugePages_Total: X，即为成功

cat /proc/meminfo | grep HugePages_Total

ls -l /usr/local/tfabric/tools/config/ztcp*.conf

镜像制作

本次实践程序，采用Horovod基于随机数据的分布式训练benchmark脚本。其中TACO运行环境采用腾讯云taco-train的官方镜像

ccr.ccs.tencentyun.com/qcloud/taco-train:ttf115-cu112-cvm-0.4.1

因TACO插件式集成特性，从TACO镜像中移除HARP加速库，即可得到原生Horovod运行环境镜像

cat <<EOF > Dockerfile
FROM ccr.ccs.tencentyun.com/qcloud/taco-train:ttf115-cu112-cvm-0.4.1
ARG DEBIAN_FRONTEND=noninteractive
ENV TZ=Asia/Shanghai
RUN apt-get update || :
RUN apt-get install tzdata
RUN ln -snf /usr/share/zoneinfo/$TZ /etc/localtime && echo '$TZ' > /etc/timezone
RUN mv /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libnccl-net.so /root/
EOF

docker build -t ttf115-cu112-cvm-0.4.1-horovod .

部署TACO Job

采用官方taco-train镜像，部署TACO环境任务，大页内存按照单机如下数量进行配置。

 hugepages=（卡数 * 5  + 10）

YAML示例文件如下：

apiVersion: kubeflow.org/v1
kind: MPIJob
metadata:
  name: taco-bench
spec:
  slotsPerWorker: 1
  runPolicy:
    cleanPodPolicy: Running
  mpiReplicaSpecs:
    Launcher:
      replicas: 1
      template:
        spec:
          containers:
          - image: ccr.ccs.tencentyun.com/qcbm/taco-train:ttf115-cu112-cvm-0.4.2
            name: mpi-launcher
            command: ["/bin/sh", "-ec", "sleep infinity"]
            resources:
              limits:
                cpu: 1
                memory: 2Gi
    Worker:
      replicas: 2
      template:
        spec:
          containers:
          - image: ccr.ccs.tencentyun.com/qcbm/taco-train:ttf115-cu112-cvm-0.4.2
            name: mpi-worker
            securityContext:
              privileged: true
            volumeMounts:
              - mountPath: /sys/
                name: sys
              - mountPath: /dev/hugepages
                name: dev-hge
              - mountPath: /usr/local/tfabric/tools
                name: tfabric
            resources:
              limits:
                hugepages-1Gi: "15Gi"
                memory: "5Gi"
                nvidia.com/gpu: 1 # requesting 1 GPU
          volumes:
            - name: sys
              hostPath:
                path: /sys/
            - name: dev-hge
              hostPath:
                path: /dev/hugepages/
            - name: tfabric
              hostPath:
                path: /usr/local/tfabric/tools/

部署Horovod Job

采用自定义horovod镜像，YAML示例文件如下：

apiVersion: kubeflow.org/v1
kind: MPIJob
metadata:
  name: horovod-bench
spec:
  slotsPerWorker: 1
  runPolicy:
    cleanPodPolicy: Running
  mpiReplicaSpecs:
    Launcher:
      replicas: 1
      template:
        spec:
          containers:
          - image: ccr.ccs.tencentyun.com/qcbm/horovod-train:ttf115-cu112-cvm-0.4.2
            name: mpi-launcher
            command: ["/bin/sh", "-ec", "sleep infinity"]
            resources:
              limits:
                cpu: 1
                memory: 2Gi
    Worker:
      replicas: 2
      template:
        spec:
          containers:
          - image: ccr.ccs.tencentyun.com/qcbm/horovod-train:ttf115-cu112-cvm-0.4.2
            name: mpi-worker
            securityContext:
              privileged: true
            volumeMounts:
              - mountPath: /sys/
                name: sys
              - mountPath: /dev/hugepages
                name: dev-hge
              - mountPath: /usr/local/tfabric/tools
                name: tfabric
            resources:
              limits:
                hugepages-1Gi: "15Gi"
                memory: "5Gi"
                nvidia.com/gpu: 1 # requesting 1 GPU
          volumes:
            - name: sys
              hostPath:
                path: /sys/
            - name: dev-hge
              hostPath:
                path: /dev/hugepages/
            - name: tfabric
              hostPath:
                path: /usr/local/tfabric/tools/

能力实践

实践目标

基于TACO训练加速组件：LightCC（基于 Horovod 深度优化的分布式训练框架）及HARP（自研用户态网络协议栈），对比原生Horovod环境，ResNet50及VGG16的多机训练加速提升

操作说明

检查环境部署情况，2台GPU服务器部署2个worker

使用如下命令分别登录TACO-bench和Horovod-bench

kubectl exec -i -t -n horovod-test horovod-bench-launcher -c mpi-launcher -- sh -c "clear;(bash || sh)"

kubectl exec -i -t -n taco-test taco-bench-launcher -c mpi-launcher -- sh -c "clear;(bash || sh)"

VGG16模型，16 Batch-Size

采用如下命令，分别在TACO-bench和Horovod-bench里执行计算

/usr/local/openmpi/bin/mpirun -np 2 -H taco-bench-worker-0:1,taco-bench-worker-1:1 --allow-run-as-root -bind-to none -map-by slot -x NCCL_ALGO=RING -x NCCL_DEBUG=INFO -x HOROVOD_MPI_THREADS_DISABLE=1 -x HOROVOD_FUSION_THRESHOLD=0  -x HOROVOD_CYCLE_TIME=0 -x LIGHT_TOPK_ALLREDUCE=1 -x LIGHT_TOPK_THRESHOLD=2097152 -x LD_LIBRARY_PATH -x PATH -mca btl_tcp_if_include eth0 python3 /mnt/tensorflow_synthetic_benchmark.py --model=VGG16 --batch-size=16

/usr/local/openmpi/bin/mpirun -np 2 -H horovod-bench-worker-0:1,horovod-bench-worker-1:1 --allow-run-as-root -bind-to none -map-by slot -x NCCL_ALGO=RING -x NCCL_DEBUG=INFO -x HOROVOD_MPI_THREADS_DISABLE=1 -x HOROVOD_FUSION_THRESHOLD=0  -x HOROVOD_CYCLE_TIME=0  -x LD_LIBRARY_PATH -x PATH -mca btl_tcp_if_include eth0 python3 /mnt/tensorflow_synthetic_benchmark.py --model=VGG16 --batch-size=16

因实践环境采用随机模拟数据，计算数据量少，通过小Batch-Size参数设置去增加通信频次。当Batch-Size设置为16时，VGG模型下TACO HARP和LightCC优化对比效果提升明显，如下图所示：

ResNet50模型，16 Batch-Size

采用如下命令，分别在TACO-bench和Horovod-bench里执行计算

/usr/local/openmpi/bin/mpirun -np 2 -H taco-bench-worker-0:1,taco-bench-worker-1:1 --allow-run-as-root -bind-to none -map-by slot -x NCCL_ALGO=RING -x NCCL_DEBUG=INFO -x HOROVOD_MPI_THREADS_DISABLE=1 -x HOROVOD_FUSION_THRESHOLD=0  -x HOROVOD_CYCLE_TIME=0 -x LIGHT_TOPK_ALLREDUCE=1 -x LIGHT_TOPK_THRESHOLD=2097152 -x LD_LIBRARY_PATH -x PATH -mca btl_tcp_if_include eth0 python3 /mnt/tensorflow_synthetic_benchmark.py --model=ResNet50 --batch-size=16

/usr/local/openmpi/bin/mpirun -np 2 -H horovod-bench-worker-0:1,horovod-bench-worker-1:1 --allow-run-as-root -bind-to none -map-by slot -x NCCL_ALGO=RING -x NCCL_DEBUG=INFO -x HOROVOD_MPI_THREADS_DISABLE=1 -x HOROVOD_FUSION_THRESHOLD=0  -x HOROVOD_CYCLE_TIME=0  -x LD_LIBRARY_PATH -x PATH -mca btl_tcp_if_include eth0 python3 /mnt/tensorflow_synthetic_benchmark.py --model=ResNet50 --batch-size=16

ResNet50相对VGG16模型，网络通信次数较少，我们同样设置Batch-Size为16，TACO HARP和LightCC对于模型计算，依然有明显提升，如下图

图4-5 Horovod运行情况（ResNet50，Batch-Size 16）

ResNet50模型，128 Batch-Size

采用如下命令，分别在TACO-bench和Horovod-bench里执行计算

/usr/local/openmpi/bin/mpirun -np 2 -H taco-bench-worker-0:1,taco-bench-worker-1:1 --allow-run-as-root -bind-to none -map-by slot -x NCCL_ALGO=RING -x NCCL_DEBUG=INFO -x HOROVOD_MPI_THREADS_DISABLE=1 -x HOROVOD_FUSION_THRESHOLD=0  -x HOROVOD_CYCLE_TIME=0 -x LIGHT_TOPK_ALLREDUCE=1 -x LIGHT_TOPK_THRESHOLD=2097152 -x LD_LIBRARY_PATH -x PATH -mca btl_tcp_if_include eth0 python3 /mnt/tensorflow_synthetic_benchmark.py --model=ResNet50 --batch-size=128

/usr/local/openmpi/bin/mpirun -np 2 -H horovod-bench-worker-0:1,horovod-bench-worker-1:1 --allow-run-as-root -bind-to none -map-by slot -x NCCL_ALGO=RING -x NCCL_DEBUG=INFO -x HOROVOD_MPI_THREADS_DISABLE=1 -x HOROVOD_FUSION_THRESHOLD=0  -x HOROVOD_CYCLE_TIME=0  -x LD_LIBRARY_PATH -x PATH -mca btl_tcp_if_include eth0 python3 /mnt/tensorflow_synthetic_benchmark.py --model=ResNet50 --batch-size=128

当Batch-Size 128的时候，整体训练过程计算占比大，计算数据量少，梯度更新快，导致通信占比小，HARP对比原生网络协议栈优势不明显。该设置场景对比效果如下：