计图MPI分布式多卡

计图MPI分布式多卡
计图分布式基于MPI（Message Passing Interface），主要阐述使用计图MPI，进行多卡和分布式训练。目前计图分布式处于测试阶段。
计图MPI安装
计图依赖OpenMPI，用户可以使用如下命令安装OpenMPI：
sudo apt install openmpi-bin openmpi-common libopenmpi-dev
计图会自动检测环境变量中是否包含mpicc，如果计图成功的检测到了mpicc，输出如下信息：
[i 0502 14:09:55.758481 24 init.py:203] Found mpicc(1.10.2) at /usr/bin/mpicc
如果计图没有在环境变量中找到mpi，用户也可以手动指定mpicc的路径告诉计图，添加环境变量即可：export mpicc_path=/you/mpicc/path
OpenMPI安装完成以后，用户无需修改代码，需要做的仅仅是修改启动命令行，计图就会用数据并行的方式，自动完成并行操作。

单卡训练代码

python3.7 -m jittor.test.test_resnet

分布式多卡训练代码

mpirun -np 4 python3.7 -m jittor.test.test_resnet

指定特定显卡的多卡训练代码

CUDA_VISIBLE_DEVICES=“2,3” mpirun -np 2 python3.7 -m jittor.test.test_resnet
便捷性的背后，计图的分布式算子的支撑，计图支持的mpi算子后端会使用nccl进行进一步的加速。计图所有分布式算法的开发，均在Python前端完成，让分布式算法的灵活度增强，开发分布式算法的难度也大大降低。
基于这些mpi算子接口，研发团队已经集成了如下三种分布式相关的算法：
• 分布式数据并行加载
• 分布式优化器
• 分布式同步批归一化层
用户在使用MPI进行分布式训练时，计图内部的Dataset类会自动并行分发数据，需要注意的是Dataset类中设置的Batch size是所有节点的batch size之和，也就是总batch size，不是单个节点接收到的batch size。
MPI接口
目前MPI开放接口如下：
• jt.mpi: 计图的MPI模块，当计图不在MPI环境下时，jt.mpi == None， 用户可以用这个判断是否在mpi环境下。
• jt.Module.mpi_param_broadcast(root=0): 将模块的参数从root节点广播给其他节点。
• jt.mpi.mpi_reduce(x, op=‘add’, root=0): 将所有节点的变量x使用算子op，reduce到root节点。如果op是’add’或者’sum’，该接口会把所有变量求和，如果op是’mean’，该接口会取均值。

• jt.mpi.mpi_broadcast(x, root=0): 将变量x从root节点广播到所有节点。

• jt.mpi.mpi_all_reduce(x, op=‘add’): 将所有节点的变量x使用一起reduce，并且吧reduce的结果再次广播到所有节点。如果op是’add’或者’sum’，该接口会把所有变量求和，如果op是’mean’，该接口会取均值。

实例：MPI实现分布式同步批归一化层
下面的代码是使用计图实现分布式同步批，归一化层的实例代码，在原来批归一化层的基础上，只需增加三行代码，就可以实现分布式的batch norm，添加的代码如下：

将均值和方差，通过all reduce同步到所有节点

if self.sync and jt.mpi:
xmean = xmean.mpi_all_reduce(“mean”)
x2mean = x2mean.mpi_all_reduce(“mean”)
注：计图内部已经实现了同步的批归一化层，用户不需要自己实现
分布式同步批归一化层的完整代码：
class BatchNorm(Module):
def init(self, num_features, eps=1e-5, momentum=0.1, affine=None, is_train=True, sync=True):
assert affine == None

    self.sync = sync
    self.num_features = num_features
    self.is_train = is_train
    self.eps = eps
    self.momentum = momentum
    self.weight = init.constant((num_features,), "float32", 1.0)
    self.bias = init.constant((num_features,), "float32", 0.0)
    self.running_mean = init.constant((num_features,), "float32", 0.0).stop_grad()
    self.running_var = init.constant((num_features,), "float32", 1.0).stop_grad()

def execute(self, x):
    if self.is_train:
        xmean = jt.mean(x, dims=[0,2,3], keepdims=1)
        x2mean = jt.mean(x*x, dims=[0,2,3], keepdims=1)
        # 将均值和方差，通过all reduce同步到所有节点
        if self.sync and jt.mpi:
            xmean = xmean.mpi_all_reduce("mean")
            x2mean = x2mean.mpi_all_reduce("mean")

        xvar = x2mean-xmean*xmean
        norm_x = (x-xmean)/jt.sqrt(xvar+self.eps)
        self.running_mean += (xmean.sum([0,2,3])-self.running_mean)*self.momentum
        self.running_var += (xvar.sum([0,2,3])-self.running_var)*self.momentum
    else:
        running_mean = self.running_mean.broadcast(x, [0,2,3])
        running_var = self.running_var.broadcast(x, [0,2,3])
        norm_x = (x-running_mean)/jt.sqrt(running_var+self.eps)
    w = self.weight.broadcast(x, [0,2,3])
    b = self.bias.broadcast(x, [0,2,3])
    return norm_x * w + b