GLM国产大模型训练加速：性能最高提升3倍，显存节省1/3，低成本上手

作者｜BBuf、谢子鹏、冯文

2017 年，Google 提出了 Transformer 架构，随后 BERT 、GPT、T5等预训练模型不断涌现，并在各项任务中都不断刷新 SOTA 纪录。去年，清华提出了 GLM 模型（https://github.com/THUDM/GLM），不同于上述预训练模型架构，它采用了一种自回归的空白填充方法，在 NLP 领域三种主要的任务（自然语言理解、无条件生成、有条件生成）上都取得了不错的结果。

很快，清华基于 GLM 架构又推出了 GLM-130B（https://keg.cs.tsinghua.edu.cn/glm-130b/zh/posts/glm-130b/），这是一个开源开放的双语（中文和英文）双向稠密模型，拥有 1300 亿参数，在语言理解、语言建模、翻译、Zero-Shot 等方面都更加出色。

预训练模型的背后离不开开源深度学习框架的助力。在此之前，GLM 的开源代码主要是由 PyTorch、DeepSpeed 以及 Apex 来实现，并且基于 DeepSpeed 提供的数据并行和模型并行技术训练了 GLM-Large（335M），GLM-515M（515M），GLM-10B（10B）等大模型，这在一定程度上降低了 GLM 预训练模型的使用门槛。

即便如此，对更广大范围的普通用户来说，训练 GLM 这样的模型依然令人头秃，同时，预训练模型的性能优化还有更大的提升空间。

为此，我们近期将原始的 GLM 项目移植到了使用 OneFlow 后端进行训练的 One-GLM 项目。得益于 OneFlow 和 PyTorch 无缝兼容性，我们快速且平滑地移植了 GLM，并成功跑通了预训练任务（训练 GLM-large）。

此外，由于 OneFlow 原生支持 DeepSpeed 和 Apex 的很多功能和优化技术，用户不再需要这些插件就可训练 GLM 等大模型。更重要的是，针对当前 OneFlow 移植的 GLM 模型，在简单调优后就能在性能以及显存占用上有大幅提升。

具体是怎么做到的？下文将进行揭晓。

One-GLM：https://github.com/Oneflow-Inc/one-glm
OneFlow：https://github.com/Oneflow-Inc/oneflow

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GLM-large 训练性能和显存的表现

首先先展示一下分别使用官方的 GLM 仓库以及 One-GLM 仓库训练 GLM-large 网络的性能和显存表现（数据并行技术），硬件环境为 A100 PCIE 40G，BatchSize 设置为 8。

可以看到，在 GLM-large 的训练任务中，相比原始的基于 PyTorch、DeepSpeed、Apex 的 GLM 实现，OneFlow的性能有 120% - 276% 的加速，并且显存占用降低了10% -30%（测试结果均可用 oneflow >=0.9.0 复现）。

2 GLM 迁移，只需修改几行代码

由于 OneFlow 无缝兼容了 PyTorch 的生态，只需改动几行代码，就可以让用户轻松迁移 GLM 大模型到 One-GLM：

将 import torch 替换为 import oneflow as torch
将 import torch.xx 替换为 import oneflow.xx
将 from apex.optimizers import FusedAdam as Adam 替换为 from oneflow.optim import Adam
将 from apex.normalization.fused_layer_norm import FusedLayerNorm as LayerNorm 替换为 from oneflow.nn import LayerNorm
注释掉 torch.distributed.ReduceOp，torch.distributed.new_group,，torch.distributed.TCPStore，torch.distributed.all_reduce 这些API，它们是 PyTorch DDP 所需要的，但 OneFlow 的数据并行是由内部的 SBP 和 Global Tensor 机制实现，并不需要这些 API。

其它许多模型的迁移更简单，比如在和 torchvision 对标的 flowvision 中，许多模型只需通过在 torchvision 模型文件中加入 import oneflow as torch 即可得到，让用户几乎没有额外成本。

此外，OneFlow 还提供全局 “mock torch” 功能（https://docs.oneflow.org/master/cookies/oneflow_torch.html），在命令行运行 eval $(oneflow-mock-torch) 就可以让接下来运行的所有 Python 脚本里的 import torch 都自动指向 oneflow。

3 两大调优手段

loss 计算部分的优化

在原始的 GLM 实现中，loss计算部分使用到了 mpu.vocab_parallel_cross_entropy 这个函数 (https://github.com/THUDM/GLM/blob/main/pretrain_glm.py#L263) 。

通过分析这个函数，发现它实现了 sparse_softmax_cross_entropy 的功能，但在实现过程中，原始的 GLM 仓库使用了 PyTorch 的 autograd.Function 模块，并且使用了大量的小算子来拼接出 sparse_softmax_cross_entropy 整体的功能。而在 OneFlow 的算子库中，已经有 sparse_softmax_cross_entropy 这个算子对应的 CUDA 实现了，也就是 flow.sparse_softmax_cross_entropy 这个 API。

所以，我们将 GLM 对 sparse_softmax_cross_entropy 的 naive 实现替换为 flow.sparse_softmax_cross_entropy 这个 API，并进行了 loss 对齐实验。

结果如何？下图展示了基于 OneFlow 的 Graph 模式训练 GLM-large 模型前 1000 轮的 loss 对齐情况，并分别测试了 FP32 和 AMP 模式：

可以看到，将原始 GLM 的 naive sparse_softmax_cross_entropy 实现替换为 flow.sparse_softmax_cross_entropy 之后 loss 是完全对齐的，可以保证正确性。

相比原始的 GLM 的单卡性能，这个替换使得 One-GLM 的单卡性能有大幅提升，主要原因是 OneFlow 对 sparse_softmax_cross_entropy 算子做了极致的性能优化，并且减少了原始 GLM 中大量的碎算子拼凑带来的访存开销。此外，这样做也降低了 torch.autograd.Function 本身带来的一些系统开销。

CUDA Kernel Fuse

除上述优化外，GLM 模型本质上就是一个编解码的 Transformer 架构，所以我们将之前优化 GPT、BERT 的一些 Fuse Pattern 也带给了 One-GLM 模型。具体包含以下两个 Fuse Pattern :

fused_bias_add_gelu: 将 bias_add 和 gelu 算子融合在一起。
fused_bias_add_dropout：将 bias_add 和 dropout 算子融合在一起。

这两个 fuse 都可以显著改善计算的访存，并减少 Kernel Launch 带来的开销，由于 GLM 模型越大则层数就会越多，那么这种 Fuse Pattern 带来的的优势也会不断放大。

最终，在上述两方面的优化作用下，在 A100 PCIE 40G，batch_size = 8 环境中的训练 GLM-large 的任务时，单卡 FP32 模式的性能相比原始的 GLM 取得了 280%（FP32 模式）和 307%（ AMP 模式）的训练加速。

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LiBai 也能轻松搞定 GLM 推理

当模型规模过于庞大，单个 GPU 设备无法容纳大规模模型参数时，便捷好用的分布式训练和推理需求就相继出现，业内也随之推出相应的工具。

基于 OneFlow 构建的 LiBai 模型库让分布式上手难度降到最低，用户不需要关注模型如何分配在不同的显卡设备，只需要修改几个配置数据就可以设置不同的分布式策略。当然，加速性能更是出众。

LiBai ：https://github.com/Oneflow-Inc/libai
LiBai 相关介绍：大模型训练之难，难于上青天？预训练易用、效率超群的「李白」模型库来了！
GLM：https://github.com/Oneflow-Inc/libai/tree/glm_project/projects/GLM

用 LiBai 搭建的 GLM 可以便捷地实现model parallel + pipeline parallel推理, 很好地解决单卡放不下大规模模型的问题。

那么，用户如何利用大规模模型训练与推理仓库 LiBai 来构建 GLM 的分布式推理部分？下面用一个小例子解释一下。

分布式推理具有天然优势

要知道，模型的参数其实就是许多 tensor，也就是以矩阵的形式出现，大模型的参数也就是大矩阵，并行策略就是把大矩阵分为多个小矩阵，并分配到不同的显卡或不同的设备上，基础的 LinearLayer 在LiBai中的实现代码如下：

class Linear1D(nn.Module):
    def __init__(self, in_features, out_features, parallel="data", layer_idx=0, ...):
        super().__init__()


        if parallel == "col":
            weight_sbp = dist.get_nd_sbp([flow.sbp.broadcast, flow.sbp.split(0)])
        elif parallel == "row":
            weight_sbp = dist.get_nd_sbp([flow.sbp.broadcast, flow.sbp.split(1)])
        elif parallel == "data":
            weight_sbp = dist.get_nd_sbp([flow.sbp.broadcast, flow.sbp.broadcast])
        else:
            raise KeyError(f"{parallel} is not supported! Only support ('data', 'row' and 'col')")


        self.weight = flow.nn.Parameter(
            flow.empty(
                (out_features, in_features),
                dtype=flow.float32,
                placement=dist.get_layer_placement(layer_idx),  # for pipeline parallelism placement
                sbp=weight_sbp,
            )
        )
        init_method(self.weight)
        ...
    
    def forward(self, x):
        ...

在这里，用户可选择去如何切分 Linear 层的矩阵，如何切分数据矩阵，而OneFlow 中的 SBP 控制竖着切、横着切以及其他拆分矩阵的方案（模型并行、数据并行），以及通过设置 Placement 来控制这个 LinearLayer 是放在第几张显卡上（流水并行）。

所以，根据 LiBai 中各种 layer 的设计原理以及基于 OneFlow 中 tensor 自带的 SBP 和 Placement 属性的天然优势，使得用户搭建的模型能够很简单地就实现数据并行、模型并行以及流水并行操作。

GLM 推理的 Demo 演示

这里为用户展示 LiBai 中 GLM 的单卡和便捷的多卡推理 Demo，模型可在 HuggingFace 上获取：https://huggingface.co/models?filter=glm

单卡 generate 任务，我们选择 glm-10b 模型：

python demo.py

# demo.py
import oneflow as flow
from projects.GLM.tokenizer.glm_tokenizer import GLMGPT2Tokenizer
from libai.utils import distributed as dist
from projects.GLM.configs.glm_inference import cfg
from projects.GLM.modeling_glm import GLMForConditionalGeneration
from projects.GLM.utils.glm_loader import GLMLoaderHuggerFace
from omegaconf import DictConfig


tokenizer = GLMGPT2Tokenizer.from_pretrained("/data/home/glm-10b")
input_ids = tokenizer.encode(
    [
        "Ng is an adjunct professor at [MASK] (formerly associate professor and Director of its Stanford AI Lab or SAIL ). Also a pioneer in online education, Ng co-founded Coursera and deeplearning.ai."
    ],
    return_tensors="of",
)
inputs = {"input_ids": input_ids, "attention_mask": flow.ones(input_ids.size())}
inputs = tokenizer.build_inputs_for_generation(inputs, max_gen_length=512)


sbp = dist.get_nd_sbp([flow.sbp.broadcast, flow.sbp.broadcast])
placement = dist.get_layer_placement(0)


dist.set_device_type("cpu")
loader = GLMLoaderHuggerFace(GLMForConditionalGeneration, cfg, "/path/to/glm-10b")
model = loader.load()
model = model.half().cuda()


dist.set_device_type("cuda")
outputs = model.generate(
    inputs=inputs['input_ids'].to_global(sbp=sbp, placement=placement), 
    position_ids=inputs['position_ids'].to_global(sbp=sbp, placement=placement), 
    generation_attention_mask=inputs['generation_attention_mask'].to_global(sbp=sbp, placement=placement).half(), 
    max_length=512
)
res = tokenizer.decode(outputs[0])
print(res)
>>> [CLS] Ng is an adjunct professor at [MASK] (formerly associate professor and Director of its Stanford AI Lab or SAIL ). Also a pioneer in online education, Ng co-founded Coursera and deeplearning.ai.<|endoftext|> <|startofpiece|>  Stanford University and a co-founder of <|endofpiece|>

4卡 model parallel+pipeline parallel generate 任务，选择 glm-10b 模型：

python3 -m oneflow.distributed.launch --nproc_per_node 4 demo.py

# demo.py
import oneflow as flow
from projects.GLM.tokenizer.glm_tokenizer import GLMGPT2Tokenizer
from libai.utils import distributed as dist
from projects.GLM.configs.glm_inference import cfg
from projects.GLM.modeling_glm import GLMForConditionalGeneration
from projects.GLM.utils.glm_loader import GLMLoaderHuggerFace
from omegaconf import DictConfig


# 只需简单配置并行方案
parallel_config = DictConfig(
    dict(
        data_parallel_size=1,
        tensor_parallel_size=2,
        pipeline_parallel_size=2,
        pipeline_num_layers=2 * 24
    )
)
dist.setup_dist_util(parallel_config)


tokenizer = GLMGPT2Tokenizer.from_pretrained("/data/home/glm-10b")
input_ids = tokenizer.encode(
    [
        "Ng is an adjunct professor at [MASK] (formerly associate professor and Director of its Stanford AI Lab or SAIL ). Also a pioneer in online education, Ng co-founded Coursera and deeplearning.ai."
    ],
    return_tensors="of",
)
inputs = {"input_ids": input_ids, "attention_mask": flow.ones(input_ids.size())}
inputs = tokenizer.build_inputs_for_generation(inputs, max_gen_length=512)


sbp = dist.get_nd_sbp([flow.sbp.broadcast, flow.sbp.broadcast])
placement = dist.get_layer_placement(0)


loader = GLMLoaderHuggerFace(GLMForConditionalGeneration, cfg, "/path/to/glm-10b")
model = loader.load()


outputs = model.generate(
    inputs=inputs['input_ids'].to_global(sbp=sbp, placement=placement), 
    position_ids=inputs['position_ids'].to_global(sbp=sbp, placement=placement), 
    generation_attention_mask=inputs['generation_attention_mask'].to_global(sbp=sbp, placement=placement), 
    max_length=512
)
res = tokenizer.decode(outputs[0])
if dist.is_main_process():
    print(res)
>>> [CLS] Ng is an adjunct professor at [MASK] (formerly associate professor and Director of its Stanford AI Lab or SAIL ). Also a pioneer in online education, Ng co-founded Coursera and deeplearning.ai.<|endoftext|> <|startofpiece|>  Stanford University and a co-founder of <|endofpiece|>