[源码解析] NVIDIA HugeCTR，GPU 版本参数服务器---(8) ---Distributed Hash之后向传播

/**

 * All the CUDA kernel functions used by embedding layer are defined in this file, including

 * forward propagation, backward propagation. The functions are defined by propagation type

 * and combiner type(sum or mean) as below:

 *   1) forward

 *        sum: calling forward_sum_kernel()

 *        mean: calling foward_sum_kernel() + forward_scale_kernel()

 *   2) backward:

 *        calculating wgrad:

 *          sum: calling backward_sum_kernel()

 *          mean: calling backward_mean_kernel()

 *        update embedding table: including several steps as below,

 *          step1: expand sample IDs, calling sample_id_expand_kernel()

 *          step2: get value_index by key (will call hash_table->get_insert() in nv_hashtable lib)

 *          step3: sort by value_index (will call cub::DeviceRadixSort::SortPairs in cub lib)

 *          step4: count the number for each unduplicated value_index, calling value_count_kernel()

 *          step5: use optimizer method to compute deltaw, and record corresponding, including three

 * types of optimizer: Adam: caling opt_adam_kernel() Momentum sgd: calling

 * opt_momentum_sgd_kernel() Nesterov: calling opt_nesterov_kernel() step6: update embedding table

 * by deltaw, calling update_kernel()

 */

2.2 代码

在 session::train() 之中有如下代码，这些就对应了总体思路。

backward 进行反向传播计算。
exchange_wgrad 进行交换梯度。
update_params 来更新参数。

      // Embedding backward

      for (const auto& one_embedding : embeddings_) {

        one_embedding->backward();

      }

      // Exchange wgrad and update params

      if (networks_.size() > 1) {

#pragma omp parallel num_threads(networks_.size())

        {

          size_t id = omp_get_thread_num();

          exchange_wgrad(id);

          networks_[id]->update_params();

        }

      } else if (resource_manager_->get_global_gpu_count() > 1) {

        exchange_wgrad(0);

        networks_[0]->update_params();

      }

      for (const auto& one_embedding : embeddings_) {

        one_embedding->update_params();

      }

0x03 输入

我们首先看看如何获取反向传播的输入。因为从嵌入层比较难以查找，我们换个思路，从 reshape 层来看看。

3.1 定义

可以看到，其主要成员变量就是输入 in_tensors_ 和输出 out_tensors_。

/**

 * Layer which reshapes a 3D/2D input tensor to 2D output tensor,

 * e.g., (batch_size, n_slots, vector_size) to (batch_size, n_slots * vector_size),

 * e.g., (batch_size * n_slots, vector_size) to (batch_size, n_slots * vector_size),

 * If the input tensor is 3D, you can choose which slots participate by calling the different Ctor

 */

template <typename T>

class ReshapeLayerCPU : public LayerCPU {

  /*

   * stores the weight tensors of this layer.

   */

  Tensors2<T> weights_;

  /*

   * stores the weight gradient tensors of this layer.

   */

  Tensors2<T> wgrad_;

  /*

   * stores the references to the input tensors of this layer.

   */

  Tensors2<T> in_tensors_;

  /*

   * stores the references to the output tensors of this layer.

   */

  Tensors2<T> out_tensors_;

  bool in_place_;

  int batch_size_;

  int n_slot_;

  int vector_length_;

  size_t n_active_slot_;

  Tensor2<int> selected_tensor_;

  std::vector<int> selected_;

}

3.2 切换

从代码可以知道，在训练时候就是反复利用了这两个成员变量 in_tensor 和 out_tensor 来做切换。

前向传播时候，fprop是把数据从in_tensor拷贝到out_tensor。
后向传播时候，bprop 是把数据从out_tensor拷贝到in_tensor。

所以，前向传播的输入变量，在反向传播时候被用来作为输入变量。因此我们可以知道嵌入层也是这个套路。

template <typename T>

void ReshapeLayer<T>::fprop(bool is_train) {

  prop_common(true, is_train, get_gpu().get_stream());

}

template <typename T>

void ReshapeLayer<T>::bprop() {

  prop_common(false, true, get_gpu().get_stream());

}

template <typename T>

void ReshapeLayer<T>::prop_common(bool forward, bool is_train, cudaStream_t stream) {

  CudaDeviceContext context(get_device_id());

  Tensor2<T>& in_tensor = get_in_tensors(is_train)[0];

  Tensor2<T>& out_tensor = out_tensors_[0];

  if (in_place_) {

    if (forward) { // 前向传播

      CK_CUDA_THROW_(cudaMemcpyAsync(out_tensor.get_ptr(), in_tensor.get_ptr(),

                                     in_tensor.get_size_in_bytes(), cudaMemcpyDeviceToDevice,

                                     stream));

    } else { // 反向传播

      CK_CUDA_THROW_(cudaMemcpyAsync(in_tensor.get_ptr(), out_tensor.get_ptr(),

                                     out_tensor.get_size_in_bytes(), cudaMemcpyDeviceToDevice,

                                     stream));

    }

  } else {

    int block_size = 128;

    int n_block = get_gpu().get_sm_count() * 16;

    T* in = in_tensor.get_ptr();

    T* out = out_tensor.get_ptr();

    reshape_kernel<<<n_block, block_size>>>(in, out, batch_size_, n_slot_, vector_length_,

                                            selected_tensor_.get_ptr(), n_active_slot_, forward);

  }

#ifndef NDEBUG

  CK_CUDA_THROW_(cudaDeviceSynchronize());

  CK_CUDA_THROW_(cudaGetLastError());

#endif

}

0x04 backward

4.1 总体代码

由之前分析我们可以知道，反向传播时候，输入的梯度就是存储在embedding_data_.get_output_tensors(true)之中。总体代码分为两部分，第一步是使用all-gather 操作来在每个GPU之上都收集到所有样本的全部梯度。第二步是调用 functors_.backward进行计算。

/**

 * The first stage of backward propagation of embedding layer,

 * which only computes the wgrad by the dgrad from the top layer.

 */

void backward() override {

  // Read dgrad from output_tensors -> compute wgrad

  // do all-gather to collect the top_grad

  size_t send_count = embedding_data_.get_batch_size_per_gpu(true) *

                      embedding_data_.embedding_params_.slot_num *

                      embedding_data_.embedding_params_.embedding_vec_size;

  functors_.all_gather(send_count, embedding_data_.get_output_tensors(true),

                       embedding_feature_tensors_, embedding_data_.get_resource_manager());

  // do backward

  functors_.backward(embedding_data_.embedding_params_.get_batch_size(true),

                     embedding_data_.embedding_params_.slot_num,

                     embedding_data_.embedding_params_.embedding_vec_size,

                     embedding_data_.embedding_params_.combiner, row_offset_allreduce_tensors_,

                     embedding_feature_tensors_, wgrad_tensors_,

                     embedding_data_.get_resource_manager());

  return;

}

4.2 AllGather

反向传播的第一步是使用 all-gather 操作来在每个 GPU 之上都收集到的所有样本的全部梯度，这样后续可以进行计算并且更新每个 GPU 之上的参数。

4.2.1 原理

首先我们看 AllGather 原理。在执行 AllGather 操作时，K个处理器之中，每个处理器都会将来自每个处理器的N个值聚集成一个维度为K*N的输出。输出是按rank索引排序的。AllGather操作会受到不同rank或设备映射的影响，因为rank决定了数据布局。

注意：执行ReduceScatter + AllGather，就等同于AllReduce操作。

4.2.2 代码

调用代码如下，可以看到其会把梯度从反向传播的输入 embedding_data_.get_output_tensors(true) 拷贝到 embedding_feature_tensors_。因此，embedding_feature_tensors_ 将会拥有所有的梯度。

  functors_.all_gather(send_count, embedding_data_.get_output_tensors(true),

                       embedding_feature_tensors_, embedding_data_.get_resource_manager());

算子如下：

/**

 * collection communication: all_gather.

 * @param send_count the count of elements will be sent.

 * @param send_tensors the send tensors of multi GPUs.

 * @param recv_tensors the recv tensors of multi GPUs.

 * @param device_resources all gpus device resources.

 * @param context gpu device context, for switching device.

 */

template <typename Type>

void SparseEmbeddingFunctors::all_gather(size_t send_count, const Tensors2<Type> &send_tensors,

                                         Tensors2<Type> &recv_tensors,

                                         const ResourceManager &resource_manager) {

  size_t local_gpu_count = resource_manager.get_local_gpu_count();

  size_t total_gpu_count = resource_manager.get_global_gpu_count();

  // need to know the Type

  ncclDataType_t type;

  switch (sizeof(Type)) {

    case 2:

      type = ncclHalf;

      break;

    case 4:

      type = ncclFloat;

      break;

    default:

      CK_THROW_(Error_t::WrongInput, "Error: Type not support by now");

  }

  // for multi GPUs, use NCCL to do All-Gather

  if (total_gpu_count > 1) {

    CK_NCCL_THROW_(ncclGroupStart());

    for (size_t id = 0; id < local_gpu_count; id++) {

      const auto &local_gpu = resource_manager.get_local_gpu(id);

      CK_NCCL_THROW_(ncclAllGather(send_tensors[id].get_ptr(),  // send buff

                                   recv_tensors[id].get_ptr(),  // recv buff

                                   send_count, type, local_gpu->get_nccl(),

                                   local_gpu->get_stream()));

    }

    CK_NCCL_THROW_(ncclGroupEnd());

  }

  // for single GPU, just do memcpyD2D

  else {  // total_gpu_count == 1

    const auto &local_gpu = resource_manager.get_local_gpu(0);

    CudaDeviceContext context(local_gpu->get_device_id());

    CK_CUDA_THROW_(cudaMemcpyAsync(recv_tensors[0].get_ptr(), send_tensors[0].get_ptr(),

                                   send_count * sizeof(Type), cudaMemcpyDeviceToDevice,

                                   local_gpu->get_stream()));

  }

  return;

}

4.3 backward

这部分完成如下功能：计算本地每个gpu上的梯度。此函数完成之后，wgrad_tensors_ 成员变量就是本GPU计算产生的新梯度。

// do backward

functors_.backward(embedding_data_.embedding_params_.get_batch_size(true),

                   embedding_data_.embedding_params_.slot_num,

                   embedding_data_.embedding_params_.embedding_vec_size,

                   embedding_data_.embedding_params_.combiner, row_offset_allreduce_tensors_,

                   embedding_feature_tensors_, wgrad_tensors_,

                   embedding_data_.get_resource_manager());

calculating wgrad，会选择如下两种之一：

sum: calling backward_sum_kernel() ；
mean: calling backward_mean_kernel()；

具体backward代码如下：

template <typename TypeHashKey, typename TypeEmbeddingComp>

void SparseEmbeddingFunctors::backward(size_t batch_size,

                                       const std::vector<size_t> &slot_num_per_gpu,

                                       size_t embedding_vec_size, int combiner,

                                       const Tensors2<TypeHashKey> &row_offset_allreduce_tensors,

                                       const Tensors2<TypeEmbeddingComp> &embedding_feature_tensors,

                                       Tensors2<TypeEmbeddingComp> &wgrad_tensors,

                                       const ResourceManager &resource_manager) {

  size_t local_gpu_count = resource_manager.get_local_gpu_count();

  CudaDeviceContext context;

  for (size_t id = 0; id < local_gpu_count; id++) { // 遍历本地GPU

    if (slot_num_per_gpu[id] == 0) {

      continue;

    }

    const auto &local_gpu = resource_manager.get_local_gpu(id);

    context.set_device(local_gpu->get_device_id());

    // 拿到某一个GPU对应的梯度和offset信息

    const TypeEmbeddingComp *top_grad = embedding_feature_tensors[id].get_ptr();

    const TypeHashKey *row_offset = row_offset_allreduce_tensors[id].get_ptr();

    TypeEmbeddingComp *wgrad = wgrad_tensors[id].get_ptr();

    // 计算更新本地梯度

    if (combiner == 0)  // sum

    {

      backward_sum(batch_size, slot_num_per_gpu[id], embedding_vec_size, top_grad, wgrad,

                   local_gpu->get_stream());

    } else if (combiner == 1)  // mean

    {

      backward_mean(batch_size, slot_num_per_gpu[id], embedding_vec_size, row_offset, top_grad,

                    wgrad, local_gpu->get_stream());

    } else {

      CK_THROW_(Error_t::WrongInput, "Invalid combiner type ");

    }

  }

  return;

}

我们以backward_sum 为例，这里采用了GPU多线程更新以加快速度。

template <typename TypeEmbeddingComp>

void backward_sum(size_t batch_size, size_t slot_num, size_t embedding_vec_size,

                  const TypeEmbeddingComp *top_grad, TypeEmbeddingComp *wgrad,

                  cudaStream_t stream) {

  const size_t grid_size = batch_size;  // each block corresponds to a sample

  const size_t block_size = embedding_vec_size;

  backward_sum_kernel<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(batch_size, slot_num,

                                                            embedding_vec_size, top_grad, wgrad);

}

// backward kernel function: for combiner=sum

template <typename TypeEmbeddingComp>

__global__ void backward_sum_kernel(int batch_size, int slot_num, int embedding_vec_size,

                                    const TypeEmbeddingComp *top_grad, TypeEmbeddingComp *wgrad) {

  int tid = threadIdx.x;

  int bid = blockIdx.x;

  if (bid < batch_size && tid < embedding_vec_size) {

    for (int i = 0; i < slot_num; i++) {

      // 先找到某一个稠密张量的位置，再加上tid就得到了张量之中某一个元素（本tid对应的元素）的位置

      size_t feature_index = (size_t)(bid * slot_num + i) * embedding_vec_size + tid;

      // 更新梯度数值

      wgrad[feature_index] = top_grad[feature_index];

    }

  }

}

作为对比，贴出backward_mean_kernel，大家可以比对学习。

// backward kernel function: for combiner=mean

template <typename TypeKey, typename TypeEmbeddingComp>

__global__ void backward_mean_kernel(int batch_size, int slot_num, int embedding_vec_size,

                                     const TypeKey *row_offset, const TypeEmbeddingComp *top_grad,

                                     TypeEmbeddingComp *wgrad) {

  int bid = blockIdx.x;

  int tid = threadIdx.x;

  if (bid < batch_size && tid < embedding_vec_size) {

    for (int i = 0; i < slot_num; i++) {

      size_t feature_row_index = bid * slot_num + i;

      int value_num = row_offset[feature_row_index + 1] - row_offset[feature_row_index];

      float scaler = 1.0f;

      if (value_num > 1) {

        scaler = 1.0f / value_num;  // partial derivatice of MEAN

      }

      size_t feature_index = feature_row_index * embedding_vec_size + tid;

      float g = TypeConvertFunc<float, TypeEmbeddingComp>::convert(top_grad[feature_index]);

      g *= scaler;

      wgrad[feature_index] = TypeConvertFunc<TypeEmbeddingComp, float>::convert(g);

    }

  }

}

现在，wgrad_tensors_ 之中已经是本地 GPU 产生的梯度了，需要根据这个来更新嵌入层权重，就是更新 hash_table_value 的内容。

0x05 ExchangeWgrad

session.train 接下来会交换梯度和更新网络参数。

      // Exchange wgrad and update params

      if (networks_.size() > 1) {

#pragma omp parallel num_threads(networks_.size())

        {

          size_t id = omp_get_thread_num();

          exchange_wgrad(id);

          networks_[id]->update_params();

        }

      } else if (resource_manager_->get_global_gpu_count() > 1) {

        exchange_wgrad(0);

        networks_[0]->update_params();

      }

具体代码如下：

void Session::exchange_wgrad(size_t device_id) {

  auto& gpu_resource = resource_manager_->get_local_gpu(device_id);

  CudaCPUDeviceContext context(gpu_resource->get_device_id());

  PROFILE_RECORD("exchange_wgrad.start", gpu_resource->get_stream(), false);

  exchange_wgrad_->allreduce(device_id, gpu_resource->get_stream());

  PROFILE_RECORD("exchange_wgrad.stop", gpu_resource->get_stream(), false);

}

5.1 定义

从定义可以看到，ExchangeWgrad 的功能就是简单封装底层资源。

class ExchangeWgrad {

 public:

  virtual void allocate() = 0;

  virtual void update_embed_wgrad_size(size_t size) = 0;

  virtual void allreduce(size_t device_id, cudaStream_t stream) = 0;

};

template <typename TypeFP>

class NetworkExchangeWgrad : public ExchangeWgrad {

 public:

  const BuffPtrs<TypeFP>& get_network_wgrad_buffs() const { return network_wgrad_buffs_; }

  const BuffPtrs<TypeFP>& get_embed_wgrad_buffs() const { return null_wgrad_buffs_; }

  void allocate() final;

  void update_embed_wgrad_size(size_t size) final;

  void allreduce(size_t device_id, cudaStream_t stream);

  NetworkExchangeWgrad(const std::shared_ptr<ResourceManager>& resource_manager);

  ~NetworkExchangeWgrad() = default;

 private:

  BuffPtrs<TypeFP> network_wgrad_buffs_;

  BuffPtrs<TypeFP> null_wgrad_buffs_;

  std::vector<std::shared_ptr<GeneralBuffer2<CudaAllocator>>> bufs_;

  std::shared_ptr<ResourceManager> resource_manager_;

  AllReduceInPlaceComm::Handle ar_handle_;

  size_t network_wgrad_size_ = 0;

  size_t num_gpus_ = 0;

};

template <typename TypeFP>

class GroupedExchangeWgrad : public ExchangeWgrad {

 public:

  const BuffPtrs<TypeFP>& get_network_wgrad_buffs() const { return network_wgrad_buffs_; }

  const BuffPtrs<TypeFP>& get_embed_wgrad_buffs() const { return embed_wgrad_buffs_; }

  void allocate() final;

  void update_embed_wgrad_size(size_t size) final;

  void allreduce(size_t device_id, cudaStream_t stream);

  GroupedExchangeWgrad(const std::shared_ptr<ResourceManager>& resource_manager);

  ~GroupedExchangeWgrad() = default;

 private:

  BuffPtrs<TypeFP> network_wgrad_buffs_;

  BuffPtrs<TypeFP> embed_wgrad_buffs_;

  std::vector<std::shared_ptr<GeneralBuffer2<CudaAllocator>>> bufs_;

  std::shared_ptr<ResourceManager> resource_manager_;

  AllReduceInPlaceComm::Handle ar_handle_;

  size_t network_wgrad_size_ = 0;

  size_t embed_wgrad_size_ = 0;

  size_t num_gpus_ = 0;

};

5.2 功能

交换功能主要是使用底层 all_reduce 来完成操作。

template <typename T>

void NetworkExchangeWgrad<T>::allreduce(size_t device_id, cudaStream_t stream) {

  auto ar_comm = resource_manager_->get_ar_comm();

  ar_comm->all_reduce(ar_handle_, stream, device_id);

}

template <typename T>

void GroupedExchangeWgrad<T>::allreduce(size_t device_id, cudaStream_t stream) {

  auto ar_comm = resource_manager_->get_ar_comm();

  ar_comm->all_reduce(ar_handle_, stream, device_id);

}

0x06 更新参数

Session.train 接下来会让嵌入层来更新参数，具体是使用优化器进行更新。

      for (const auto& one_embedding : embeddings_) {

        one_embedding->update_params();

      }

具体代码如下，其主要逻辑就是在优化器和backward()产生的wgrad合作下，更新hash table。

  /**

   * The second stage of backward propagation of embedding layer, which

   * updates the hash table by wgrad(from backward()) and optimizer.

   */

  void update_params() override {

    // accumulate times for adam optimizer

    embedding_data_.embedding_params_.opt_params.hyperparams.adam.times++;

#pragma omp parallel num_threads(embedding_data_.get_resource_manager().get_local_gpu_count())

    {

      size_t id = omp_get_thread_num();

      CudaDeviceContext context(embedding_data_.get_local_gpu(id).get_device_id());

      // do update params operation

      embedding_optimizers_[id].update(

          embedding_data_.embedding_params_.get_batch_size(true),

          embedding_data_.embedding_params_.slot_num,

          embedding_data_.embedding_params_.embedding_vec_size, max_vocabulary_size_per_gpu_,

          *embedding_data_.get_nnz_array(true)[id],

          embedding_data_.get_row_offsets_tensors(true)[id], hash_value_index_tensors_[id],

          wgrad_tensors_[id], hash_table_value_tensors_[id],

          embedding_data_.get_local_gpu(id).get_sm_count(),

          embedding_data_.get_local_gpu(id).get_stream());

    }

    return;

  }

这部分是反向操作的难点。现在的问题是，wgrad_tensors_ 之中已经是梯度了，需要根据这个来更新嵌入层权重，就是 hash_table_value。但是如何更新呢？比如怎样利用GPU多线程更新？是否需要更新 hash_value_index_index？我们接下来一步一步分析。

6.1 问题和思路

假如batch_size=2，slot_num=2，给出一个CSR例子格式如下（两个样本）：

*   40,50,10,20 // 样本1，slot 1

*   30,50,10 // 样本1，slot 2

*   30,20 // 样本2，slot 1

*   10 // 样本2，slot 2

* Will be convert to the form of:

* row offset: 0,4,7,9,10

* value: 40,50,10,20,30,50,10,30,20,10

6.1.1 前向传播

下图是前向传播的embedding look示例，最后生成的 embedding_feature 之中，embedding vector个数是：batch_size x slot_num，针对我们的例子：40,50,10,20,30,50,10,30,20,10，分成slot就是：[40,50,10,20],[30,50,10],[30,20],[10]。分别对应embedding_feature矩阵中的四行。

注：最后输出的是 train_output_tensors_，中间变量为 embedding_feature，embedding_feature 经过了几次GPU之间的通信变化之后演化成了train_output_tensors_ ，两者维度相同，所以我们就使用 embedding_feature。下面图之中数字是构造出来，只供演示使用。

我们给出 embedding_feature 之中第三条向量的计算过程，他对应了第二个样本的第一个slot，就是 "30,20"。所以就是从 hash_table_value 选出了第2行，第3行，对应位置元素相加，即图中给出的计算过程。

6.1.2 后向传播

我们再考虑后向传播。

后向传播时候用梯度来更新权重，g31,g32,g33,g34 这一行就应该更新 hash_table_value 的第2行，第3行。另外，如果假设第二个样本的第一个slot 是 "30,20,20,20"，那么其实就应该用梯度更新hash_table_value 的第2行三次，第3行一次。其实也可以看出来，这种更新不要知道 train_value的数值究竟是什么。

6.1.3 思路

我们先用常规思路来梳理一下上面例子：

sample_id 列表对应的是40,50,10,20,.....，20 是一个key，它在低维嵌入表 hash_table_value 之中对应一个稠密向量（第2行 10,20,30,40），里面是权重。
嵌入层输出是embedding_feature。
- embedding vector个数是：batch_size x slot_num，也就是说，CSR 有几行，这里就有几个向量。
- 其中第三条向量对应了第二个样本的第一个slot，就是 "30,20"。所以就是从 hash_table_value 选出了第2行，第3行，对应位置元素相加： 10,220,330,440,550 = (10+100),(20+200),(30+300),(40+400),(50+500)。
如果有了梯度稠密向量，其是被 hash table value 若干稠密向量做pooling得到的结果。
- 比如，梯度矩阵第三条向量 g31,g32,g33,g34 对应的就是 embedding_feature 第三条向量 10,220,330,440,550，如果梯度更新权重，就应该更新hash_table_value 的第2行，第3行。
- 如果样本slot之中有多个同样数值，比如第二个样本的第一个slot 是 "30,20,20,20"，那么其实就应该用更新hash_table_value 的第 2 行三次，第 3 行一次。

我们接着从CUDA角度来看如何更新，其目的是让每一个block 更新一个低维矩阵 hash_table_value 的一行，所以有几个问题：

如何依据本GPU线程的 block id 找到其在低维矩稠密向量阵之中的row offset，假设是第二行。
如何知道本 block 应该更新第二行几次。
更新这几次，分别用哪一个梯度来更新。
- 比如第1个梯度可能更新第二行，第三个梯度也可能更新第二行。针对我们的例子：40,50,10,20,30,50,10,30,20,10，分成slot就是：[40,50,10,20],[30,50,10],[30,20],[10]。分别对应梯度矩阵中的四行，所以需要从梯度矩阵之中1，2，4行的梯度来更新 10 对应的 hash_table_value。
- 具体参见下图，这里 train_value 到 gradient 只是示意，就是逻辑上一一对应。

这里有一个疑问，为什么不像前向传播那样操作，而是要另外重起炉灶呢？这是因为我们不需要知道样本数值就可以更新权重，不需要把40,50,10,20,.....,等等重新走一遍操作哈希表的流程。所以，接下来就看看HugeCTR如何解决这几个问题，这里代码比较烧脑。

6.2 嵌入层更新

我们首先看看嵌入层的总体代码和注释里面提到的思路。

6.2.1 注释

注释里面关于更新的部分有5步，我们可以看到其大致思路：

     step1: expand sample IDs, calling sample_id_expand_kernel()；

     step2: get value_index by key (will call hash_table->get_insert() in nv_hashtable lib)；

     step3: sort by value_index (will call cub::DeviceRadixSort::SortPairs in cub lib)；

     step4: count the number for each unduplicated value_index, calling value_count_kernel()；

     step5: use optimizer method to compute deltaw, and record corresponding；

/**

 * All the CUDA kernel functions used by embedding layer are defined in this file, including

 * forward propagation, backward propagation. The functions are defined by propagation type

 * and combiner type(sum or mean) as below:

 *   1) forward

 *        sum: calling forward_sum_kernel()

 *        mean: calling foward_sum_kernel() + forward_scale_kernel()

 *   2) backward:

 *        calculating wgrad:

 *          sum: calling backward_sum_kernel()

 *          mean: calling backward_mean_kernel()

 *        update embedding table: including several steps as below,

 *          step1: expand sample IDs, calling sample_id_expand_kernel()

 *          step2: get value_index by key (will call hash_table->get_insert() in nv_hashtable lib)

 *          step3: sort by value_index (will call cub::DeviceRadixSort::SortPairs in cub lib)

 *          step4: count the number for each unduplicated value_index, calling value_count_kernel()

 *          step5: use optimizer method to compute deltaw, and record corresponding, including three

 * types of optimizer: Adam: caling opt_adam_kernel() Momentum sgd: calling

 * opt_momentum_sgd_kernel() Nesterov: calling opt_nesterov_kernel() step6: update embedding table

 * by deltaw, calling update_kernel()

 */

6.2.2 update代码

我们摘录 EmbeddingOptimizer::update 的代码如下，这里只是选择了Optimizer_t::AdaGrad相关部分，其通过 opt_adagrad_kernel 进行更新。这里可以清楚看到注释中的各个步骤，我们接下来就会逐一分析。

template <typename TypeHashKey, typename TypeEmbeddingComp>

void EmbeddingOptimizer<TypeHashKey, TypeEmbeddingComp>::update(

    size_t batch_size, size_t slot_num, size_t embedding_vec_size,

    size_t max_vocabulary_size_per_gpu, size_t nnz, const Tensor2<TypeHashKey> &row_offset,

    Tensor2<size_t> &hash_value_index, const Tensor2<TypeEmbeddingComp> &wgrad,

    Tensor2<float> &hash_table_value, size_t sm_count, cudaStream_t stream) {

  OptimizerTensor<TypeEmbeddingComp> &opt_tensor = opt_tensors_;

  OptParams &opt_params = param.opt_params;

  Tensor2<TypeHashKey> &sample_id = sample_id_tensors_;

  Tensor2<TypeHashKey> &sample_id_sort = sample_id_sort_tensors_;

  Tensor2<size_t> &hash_value_index_sort = hash_value_index_sort_tensors_;

  Tensor2<uint32_t> &hash_value_index_count_offset = hash_value_index_count_offset_tensors_;

  Tensor2<uint32_t> &new_hash_value_flag = new_hash_value_flag_tensors_;

  Tensor2<uint32_t> &hash_value_flag_sumed = hash_value_flag_sumed_tensors_;

  Tensor2<uint32_t> &hash_value_index_count_counter = hash_value_index_count_counter_tensors_;

  Tensor2<void> &temp_storage_sort = temp_storage_sort_tensors_;

  Tensor2<void> &temp_storage_scan = temp_storage_scan_tensors_;

  size_t block_size, grid_size;

  try {

    // step1: expand sample IDs

    block_size = 64;

    grid_size = (batch_size * slot_num - 1) / block_size + 1;

    sample_id_expand_kernel<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(

        batch_size, slot_num, row_offset.get_ptr(), sample_id.get_ptr());

    if (opt_params.optimizer == Optimizer_t::SGD &&

        opt_params.hyperparams.sgd.atomic_update) {  // for SGD, do atomic update

      const size_t block_size = embedding_vec_size;

      const size_t grid_size = min(max(1ul, nnz), sm_count * 32);

      float lr_scale = opt_params.lr / opt_params.scaler;

      opt_sgd_atomic_kernel<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(

          nnz, embedding_vec_size, lr_scale, hash_value_index.get_ptr(), sample_id.get_ptr(),

          wgrad.get_ptr(), hash_table_value.get_ptr());

    } else {

      // step3: sort by hash_value_index

      int end_bit = static_cast<int>(log2(static_cast<float>(max_vocabulary_size_per_gpu))) + 1;

      size_t temp_storage_sort_size = temp_storage_sort.get_size_in_bytes();

      CK_CUDA_THROW_(cub::DeviceRadixSort::SortPairs(

          temp_storage_sort.get_ptr(), temp_storage_sort_size, hash_value_index.get_ptr(),

          hash_value_index_sort.get_ptr(), sample_id.get_ptr(), sample_id_sort.get_ptr(), nnz, 0,

          end_bit, stream, false));

      // step4: count the number for each unduplicated hash_value_index

      CK_CUDA_THROW_(

          cudaMemsetAsync(hash_value_index_count_counter.get_ptr(), 0, sizeof(uint32_t), stream));

      constexpr size_t max_grid_size = 384;

      block_size = 256;

      grid_size = min(max_grid_size, (nnz - 1) / block_size + 1);

      value_count_kernel_1<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(

          nnz, hash_value_index_sort.get_ptr(), new_hash_value_flag.get_ptr());

      // a pinned memroy

      CK_CUDA_THROW_(cudaMemcpyAsync(&hash_hash_value_index_count_num,

                                     hash_value_index_count_counter.get_ptr(), sizeof(uint32_t),

                                     cudaMemcpyDeviceToHost, stream));

      // step5: use optimizer method to compute deltaw and update the parameters

      block_size = embedding_vec_size;

      grid_size = max(1, hash_hash_value_index_count_num);

      switch (opt_params.update_type) {

        case Update_t::Global: {

          switch (opt_params.optimizer) {

            case Optimizer_t::Adam: {

            }

            case Optimizer_t::AdaGrad: {

              opt_adagrad_kernel<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(

                  hash_hash_value_index_count_num, embedding_vec_size, opt_params.lr,

                  opt_params.hyperparams.adagrad, opt_tensor.opt_accm_tensors_.get_ptr(),

                  sample_id_sort.get_ptr(), hash_value_index_sort.get_ptr(),

                  hash_value_index_count_offset.get_ptr(), wgrad.get_ptr(),

                  hash_table_value.get_ptr(), opt_params.scaler);

              break;

            }

            case Optimizer_t::MomentumSGD:

            case Optimizer_t::Nesterov:

            case Optimizer_t::SGD:

            default:

              CK_THROW_(Error_t::WrongInput, "Error: Invalid opitimizer type");

          }  // switch (optimizer)

          break;

        }

        case Update_t::Local: {

          switch (opt_params.optimizer) {

            case Optimizer_t::Adam: {

            }

            case Optimizer_t::AdaGrad: {

              opt_adagrad_kernel<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(

                  hash_hash_value_index_count_num, embedding_vec_size, opt_params.lr,

                  opt_params.hyperparams.adagrad, opt_tensor.opt_accm_tensors_.get_ptr(),

                  sample_id_sort.get_ptr(), hash_value_index_sort.get_ptr(),

                  hash_value_index_count_offset.get_ptr(), wgrad.get_ptr(),

                  hash_table_value.get_ptr(), opt_params.scaler);

              break;

            }

            case Optimizer_t::MomentumSGD:

            case Optimizer_t::Nesterov:

            case Optimizer_t::SGD:

            default:

              CK_THROW_(Error_t::WrongInput, "Error: Invalid opitimizer type");

          }  // switch (optimizer)

          break;

        }

        case Update_t::LazyGlobal: {

          switch (opt_params.optimizer) {

            case Optimizer_t::Adam: {

            }

            case Optimizer_t::AdaGrad:

            case Optimizer_t::MomentumSGD:

            case Optimizer_t::Nesterov:

            case Optimizer_t::SGD: {

              CK_THROW_(Error_t::WrongInput,

                        "Error: lazy global update is only implemented for Adam");

              break;

            }

            default:

              CK_THROW_(Error_t::WrongInput, "Error: Invalid opitimizer type");

          }

          break;

        }

        default:

          CK_THROW_(Error_t::WrongInput, "Error: Invalid update type");

      }  // switch (update type)

    }

#ifndef NDEBUG

    cudaDeviceSynchronize();

    CK_CUDA_THROW_(cudaGetLastError());

#endif

  } catch (const std::runtime_error &rt_err) {

    std::cerr << rt_err.what() << std::endl;

    throw;

  }

  return;

}

首先要说明，这里nnz（non-zero feature number per batch）来自如下，就是本样本之中非零key个数。

std::vector<std::shared_ptr<size_t>>& get_nnz_array(bool is_train) {

	if (is_train) {  

		return train_nnz_array_;

	} else {  

		return evaluate_nnz_array_;

	}

}

我们接下来逐一看看这些步骤。

6.3 拓展sample id

这里对应了第一步，在后续代码之中，每个key对应了一个sample ID。总体思路就是找到每个 key（sample ID）和梯度矩阵，或者说和embedding_feature之中哪一行相对应，我们后续就直接以 embedding_feature来看，暂时不考虑梯度矩阵。可以大致理解为把样本id扩展为key id的列表。

step1: expand sample IDs, calling sample_id_expand_kernel()

就是调用 sample_id_expand_kernel 来拓展sample id。这里 sample_id 是成员变量 sample_id_tensors_的引用，这样就可以直接修改成员变量。

Tensor2<TypeHashKey> sample_id_tensors_; /**< The temp memory to store the sample ids of hash table value in update_params(). */

具体代码如下：

Tensor2<TypeHashKey> &sample_id = sample_id_tensors_;

// step1: expand sample IDs

block_size = 64;

grid_size = (batch_size * slot_num - 1) / block_size + 1;

sample_id_expand_kernel<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(

    batch_size, slot_num, row_offset.get_ptr(), sample_id.get_ptr());

通过前面分析我们知道，embedding vector个数是：batch_size x slot_num，也就是说，CSR 有几行，这里就有几个向量。所以这里就直接读取CSR行信息即可。即， sample_id_expand_kernel 会把 sample_id_tensors_ 设置为 CSR row offset（expand sample id by row_offset），就是找到 CSR row offset 之中的index。

CSR row_offset = [0,4,7,9,10]，样本之中key的数值是40,50,10,20,30,50,10,30,20,10，那么 40,50,10,20对应了 0，30,50,10对应了1，30,20对应了 2，10对应了3。因此，sample_id 数值是 [0,0,0,0,1,1,1,2,2,3]，就是记录了该 batch 在 embedding_feature_tensors_ 之中的 row index。

sample_id_expand_kernel 代码如下，这里几个重点：

gid 是grid ID，表示本线程对应了embedding_feature_tensors_ 哪个元素。
blockIdx 表示一个样本。
(batch_size * slot_num) 代表本batch在嵌入层输出 train_output_tensors_ 之中对应了多少行，或者说是在 embedding_feature_tensors_ 之中占据了多少行，其实 embedding_feature_tensors_ 也就这么大。
sample_id[offset + i] = gid; 目的就是记录该样本某key在 embedding_feature_tensors_ 之中的 row index（对应哪一行）。embedding_feature_tensors_ 这个稠密向量是由 hash_table_value 之中"CSR 本行的元素数目"个稠密向量做pooling得到的结果。

// expand sample id by row_offset

template <typename TypeKey>

__global__ void sample_id_expand_kernel(int batch_size, int slot_num, const TypeKey *row_offset, TypeKey *sample_id) {

  // 本线程对应的grid id，其实对应的就是global thread id

  int gid = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x; 

  if (gid < (batch_size * slot_num)) { // 假如batch_size=2，slot_num=2，取值为 gid < 4

    // 并不是每个GPU线程都会走到这里，对应我们的假设，则只会取出gid = 0~3 这样的线程才会进行下面配置操作

    // 比如，假定gid取值范围8，那么只有gid=0,gid=1,gid=2,gid=3 这几个线程会进入if，执行操作，其余线程不会进入，比如grid=4就不会进入

    TypeKey offset = row_offset[gid]; // 拿到对应的个数，比如 row_offset[0]，row_offset[1]，row_offset[2]的数值

    int value_num = row_offset[gid + 1] - offset; // 拿到CSR 本行的元素数目

    for (int i = 0; i < value_num; i++) {

      sample_id[offset + i] = gid; // 记录该样本某key在 embedding_feature_tensors_ 之中的 row index

    }

  }

}

我们把目前涉及的变量整理如下，这里假定从CSR数值到hash_value_index_tensors_ 行的映射是取十位数，比如50就映射到第5行。

名称	数值	意义
CSR row offset	0,4,7,9,10	两个样本，两个slot，所以分成四行
CSR value	40,50,10,20,30,50,10,30,20,10	样本内容
hash_value_index_tensors_	4,5,1,2,3,5,1,3,2,1	低维嵌入表的index，样本每个key对应一个，比如50对应了 hash_table_value 第5行
hash_table_value	5 x 8 的矩阵	低维嵌入表，假定稠密向量长度是8，因为一共只有5个不同数字，所以只有5行
embedding_feature_tensors_	4 x 8 的矩阵	嵌入层输出的稠密向量。形状是(batch_size * slot_num) * embedding_vec_len
sample_id	0,0,0,0,1,1,1,2,2,3	每个样本的每个key 对应了embedding_feature_tensors_ 中的 row index。比如CSR第一行是40,50,10,20，它们都为 embedding_feature_tensors_ 的第一行做出了贡献。

6.4 从key得到value_index

下面我们看看第二步，根据key获取到 hash table value index。

step2: get value_index by key (will call hash_table->get_insert() in nv_hashtable lib)

这部分只是在 test/utest/embedding/sparse_embedding_hash_cpu.hpp 之中有，因为是测试代码，所以此时哈希表没有数据，需要设置，训练代码不需要这一步。

对应代码就是：

// step2: do hash table get() value_index by key

int nnz = row_offset_[batchsize_ * slot_num_];

hash_table_->get(hash_key_.get(), hash_value_index_.get(), nnz);

HashTableCpu 的get方法如下：

  void get(const KeyType* keys, ValType* vals, size_t len) const {

    if (len == 0) {

      return;

    }

    for (size_t i = 0; i < len; i++) {

      auto it = table_->find(keys[i]);

      assert(it != table_->end() && "error: can't find key");

      vals[i] = it->second;

    }

  }

6.5 排序

这部分对应第三步：

step3: sort by value_index (will call cub::DeviceRadixSort::SortPairs in cub lib)

现在得到了：sample_id 数值是 [0,0,0,0,1,1,1,2,2,3]，就是记录了该 batch 在 embedding_feature_tensors_ 之中的 row index。

就是把 sample_id 按照 hash_value_index 来排序，最后排序结果放入 hash_value_index_sort 和 sample_id_sort。在我们例子之中，得到结果如下：hash_value_index_sort 是 [1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]。sample_id_sort 是 [0,1,3,0,2,1,2,0,0,1 ]。

我们还是用表格记录：

名称	数值	意义
CSR row offset	0,4,7,9,10	两个样本，两个slot，所以分成四行
CSR value	40,50,10,20,30,50,10,30,20,10	样本内容
hash_value_index_tensors_	4,5,1,2,3,5,1,3,2,1	低维嵌入表的index，样本每个key对应一个，比如50对应了 hash_table_value 第5行
hash_table_value	5 x 8 的矩阵	低维嵌入表，假定稠密向量长度是8，因为一共只有5个不同数字，所以只有5行
embedding_feature_tensors_	4 x 8 的矩阵	嵌入层输出的稠密向量。形状是(batch_size * slot_num) * embedding_vec_len
sample_id	0,0,0,0,1,1,1,2,2,3	每个样本的每个key 对应了embedding_feature_tensors_ 中的 row index。比如CSR第一行是40,50,10,20，它们都为 embedding_feature_tensors_ 的第一行做出了贡献。
sample_id_sort	[0,1,3,0,2,1,2,0,0,1 ]	和 hash_value_index_sort 对应，就是 hash_value_index_sort 前三个 1 分别对应了embedding_feature 的第1行，第2行，第4行（从0开始的序列）
hash_value_index_sort	[1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]	排序之后的结果，举例来说，111 意思是本batch之中，一共有3个key对最终embedding_feature第一行做出了贡献

具体代码如下：

// step3: sort by hash_value_index

int end_bit = static_cast<int>(log2(static_cast<float>(max_vocabulary_size_per_gpu))) + 1;

size_t temp_storage_sort_size = temp_storage_sort.get_size_in_bytes();

CK_CUDA_THROW_(cub::DeviceRadixSort::SortPairs(

    temp_storage_sort.get_ptr(), temp_storage_sort_size, hash_value_index.get_ptr(),

    hash_value_index_sort.get_ptr(), sample_id.get_ptr(), sample_id_sort.get_ptr(), nnz, 0,

    end_bit, stream, false));

6.5.1 SortPairs

这里依然用到了CUB的方法，具体可以参见：https://nvlabs.github.io/cub/structcub_1_1_device_radix_sort.html#a9e14a29dc4ba6d68dc804bc6b0da7dd4。

方法声明如下：

template<typename KeyT , typename ValueT >

static CUB_RUNTIME_FUNCTION cudaError_t cub::DeviceRadixSort::SortPairs	(

  void * 	d_temp_storage,

  size_t & 	temp_storage_bytes,

  const KeyT * 	d_keys_in,

  KeyT * 	d_keys_out,

  const ValueT * 	d_values_in,

  ValueT * 	d_values_out,

  int 	num_items,

  int 	begin_bit = 0,

  int 	end_bit = sizeof(KeyT) * 8,

  cudaStream_t 	stream = 0,

  bool 	debug_synchronous = false

)

具体使用方法如下：

6.6 计算value_index对应的数目

现在知道了 hash_value_index_sort 是 [1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]，sample_id_sort 是 [0,1,3,0,2,1,2,0,0,1 ]。

hash_value_index_sort 是hash_value_index排序之后的结果，举例来说，111 意思是本batch之中，一共有3个key对最终embedding_feature第一行做出了贡献
sample_id_sort 和 hash_value_index_sort 对应，就是 hash_value_index_sort 前三个 1 分别对应了embedding_feature 的第1行，第2行，第4行（从0开始的序列）

接下来需要知道 embedding_feature_tensors_ 每行的来源是多少个 hash_table_value 行，比如第0行有4个，第1行有3个......。embedding_feature_tensors_ 之中的一个行是被同一个slot的多个 hash_table_value 行的稠密向量做pooling完成的。

这部分对应了如下：

step4: count the number for each unduplicated value_index, calling value_count_kernel()

就是对 hash_value_index_sort 进行处理，这里是 embedding 表 hash_table_value 的 row index。

// step4: count the number for each unduplicated hash_value_index

CK_CUDA_THROW_(

    cudaMemsetAsync(hash_value_index_count_counter.get_ptr(), 0, sizeof(uint32_t), stream));

constexpr size_t max_grid_size = 384;

block_size = 256;

grid_size = min(max_grid_size, (nnz - 1) / block_size + 1);

// 目的是找到新的group，就是新的 row index。目的是为了计算每个row index对应的sample id个数

value_count_kernel_1<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(

    nnz, hash_value_index_sort.get_ptr(), new_hash_value_flag.get_ptr());

// prefix_sum

size_t temp_storage_scan_size = temp_storage_scan.get_size_in_bytes();

CK_CUDA_THROW_(cub::DeviceScan::InclusiveSum(

    temp_storage_scan.get_ptr(), temp_storage_scan_size, new_hash_value_flag.get_ptr(),

    hash_value_flag_sumed.get_ptr(), nnz, stream));

value_count_kernel_2<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(

    nnz, new_hash_value_flag.get_ptr(), hash_value_flag_sumed.get_ptr(),

    hash_value_index_count_offset.get_ptr(), hash_value_index_count_counter.get_ptr());

uint32_t hash_hash_value_index_count_num = 0;

// this async memcpy will not perform as a async operation because the host memory is not

// a pinned memroy

CK_CUDA_THROW_(cudaMemcpyAsync(&hash_hash_value_index_count_num,

                               hash_value_index_count_counter.get_ptr(), sizeof(uint32_t),

                               cudaMemcpyDeviceToHost, stream));

我们接下来一点点分析。

6.6.1 value_count_kernel_1

value_count_kernel_1目的是找到新的group，就是新的 row index。目的是为了计算每个row index对应的sample id 个数。就是找到哪些点是新行起始点。我们拓展表格如下。

名称	数值	意义
CSR row offset	0,4,7,9,10	两个样本，两个slot，所以分成四行
CSR value	40,50,10,20,30,50,10,30,20,10	样本内容
hash_value_index_tensors_	4,5,1,2,3,5,1,3,2,1	低维嵌入表的index，样本每个key对应一个，比如50对应了 hash_table_value 第5行
sample_id	0,0,0,0,1,1,1,2,2,3	每个样本的每个key 对应了embedding_feature_tensors_ 中的 row index。比如CSR第一行是40,50,10,20，它们都为 embedding_feature_tensors_ 的第一行做出了贡献。
sample_id_sort	[0,1,3,0,2,1,2,0,0,1 ]	和 hash_value_index_sort 对应，就是 hash_value_index_sort 前三个 1 分别对应了 embedding_feature 的第1行，第2行，第4行（从0开始的序列）
hash_value_index_sort	[1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]	排序之后的结果，举例来说，1,1,1 意思是本batch之中，一共有3个key对最终embedding_feature第一行做出了贡献
new_hash_value_flag	[1,0,0,1,0,1,0,1,1,0]	为了计算每个row index对应的sample id 个数。就是找到哪些点是新行起始点

具体代码如下：

__global__ void value_count_kernel_1(int nnz, const size_t *hash_value_index_sort,

                                     uint32_t *new_hash_value_flag) {

  for (int gid = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x; gid < nnz; gid += blockDim.x * gridDim.x) {

    size_t cur_value = hash_value_index_sort[gid];

    if (gid > 0) {

      size_t former_value = hash_value_index_sort[gid - 1];

      // decide if this is the start of a group(the elements in this group have the same

      // hash_value_index_sort)

      if (cur_value != former_value) {

        new_hash_value_flag[gid] = 1;

      } else {

        new_hash_value_flag[gid] = 0;

      }

    } else {  // gid == 0

      new_hash_value_flag[gid] = 1;

    }

  }

}

6.6.2 prefix_sum

对 new_hash_value_flag 排序，目的是得到每个group（row index）内部包含多少元素，放入 hash_value_flag_sumed 之中。

// prefix_sum

size_t temp_storage_scan_size = temp_storage_scan.get_size_in_bytes();

CK_CUDA_THROW_(cub::DeviceScan::InclusiveSum(

    temp_storage_scan.get_ptr(), temp_storage_scan_size, new_hash_value_flag.get_ptr(),

    hash_value_flag_sumed.get_ptr(), nnz, stream));

这里使用了 cub::DeviceScan::InclusiveSum，如果想深入研究，可以参见 https://nvlabs.github.io/cub/structcub_1_1_device_scan.html 。

以下是函数说明。

以下是使用方法。

我们拓展表格如下。

名称	数值	意义
CSR row offset	0,4,7,9,10	两个样本，两个slot，所以分成四行
CSR value	40,50,10,20,30,50,10,30,20,10	样本内容
hash_value_index_tensors_	[4,5,1,2,3,5,1,3,2,1]	低维嵌入表的index，样本每个key对应一个，比如50对应了 hash_table_value 第5行
sample_id	[0,0,0,0,1,1,1,2,2,3]	每个样本的每个key 对应了embedding_feature_tensors_ 中的 row index。比如CSR第一行是40,50,10,20，它们都为 embedding_feature_tensors_ 的第一行做出了贡献。
sample_id_sort	[0,1,3,0,2,1,2,0,0,1]	和 hash_value_index_sort 对应，就是 hash_value_index_sort 前三个 1 分别对应了 embedding_feature 的第1行，第2行，第4行（从0开始的序列）
hash_value_index_sort	[1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]	排序之后的结果，举例来说，1,1,1 意思是本batch之中，一共有3个key对最终embedding_feature第一行做出了贡献
new_hash_value_flag	[1,0,0,1,0,1,0,1,1,0]	为了计算每个row index对应的sample id 个数。就是找到哪些点是新行起始点
hash_value_flag_sumed	[1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]	对 new_hash_value_flag 合并，目的是得到每个group（row index）内部包含多少元素。
hash_table_value	5 x 8 的矩阵	低维嵌入表，假定稠密向量长度是8，因为一共只有5个不同数字，所以只有5行

6.6.3 value_count_kernel_2

这个代码作用就是得到最终每行元素个数。

value_count_kernel_2<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(

    nnz, new_hash_value_flag.get_ptr(), hash_value_flag_sumed.get_ptr(),

    hash_value_index_count_offset.get_ptr(), hash_value_index_count_counter.get_ptr());

uint32_t hash_hash_value_index_count_num = 0;

// this async memcpy will not perform as a async operation because the host memory is not

// a pinned memroy

CK_CUDA_THROW_(cudaMemcpyAsync(&hash_hash_value_index_count_num,

                               hash_value_index_count_counter.get_ptr(), sizeof(uint32_t),

                               cudaMemcpyDeviceToHost, stream));

hash_hash_value_index_count_num 是index总数，就是一共真实有几行，其对应了nnz。

* @param nnz non-zero feature number per batch

现在知道了 hash_value_index_sort 是 [1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]，sample_id_sort 是 [0,1,3,0,2,1,2,0,0,1 ]，new_hash_value_flag 是 [1,0,0,1,0,1,0,1,1,0]，里面放置了本行是不是新行。hash_value_flag_sumed 是[ 1,1,1,2,2,3,3,4,5,5 ]。

我们分析一下代码。总体思想是：在 hash_value_index_index（对应传进来的参数是 hash_value_index_count_offset）设定 "按照数目计算的，对应的 embedding 表 index（就是对应的 embedding 表行号）"。因为embedding_feature 最多只有5行（nnz个数），所以这里取前五个即可。

比如，每个block要处理低维稠密矩阵一行。如 bid = 1，它希望更新低维稠密矩阵第2行，但是想知道更新几次。所以先从 hash_value_index_count_offset[1] 得到了数值 3，然后找到 hash_value_index_sort[3] 来进行处理。

具体是：遍历grid，但是需要小于nnz（该batch的非零key数目），其实就是 hash_table_value 的行数。比如说nnz这里等于10，gid 取值就是0～9。grid为0，3，5，7，8 时候new_hash_value_flag[gid] 为 1。hash_value_flag_sumed[gid]分别为：1,2,3,4,5。所以 hash_value_index_count_offset 是 [0, 3, 5, 7, 8, 0, 0, 0, 0, 0]，这些是 hash_value_index_sort 之中的offset。

__global__ void value_count_kernel_2(int nnz, const uint32_t *new_hash_value_flag,

                                     const uint32_t *hash_value_flag_sumed,

                                     uint32_t *hash_value_index_index, uint32_t *counter)

{

  // 遍历grid，但是需要小于该batch的非零key数目，其实就是 hash_table_value 的行数

  for (int gid = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x; gid < nnz; gid += blockDim.x * gridDim.x) {

    uint32_t flag = new_hash_value_flag[gid];

    if (flag == 1) {

      // 设定

      hash_value_index_index[hash_value_flag_sumed[gid] - 1] = gid;

    }

  }

  if (blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x == 0) {

    *counter = hash_value_flag_sumed[nnz - 1];

    hash_value_index_index[*counter] = nnz;

  }

}

到目前为止，所有变量如下：

名称	数值	意义
CSR row offset	0,4,7,9,10	两个样本，两个slot，所以分成四行
CSR value	40,50,10,20,30,50,10,30,20,10	样本内容
hash_table_value	5 x 8 的矩阵	低维嵌入表，假定稠密向量长度是8，因为一共只有5个不同数字（nnz），所以只有5行
embedding_feature_tensors_	4 x 8 的矩阵	嵌入层输出的稠密向量。形状是(batch_size * slot_num) * embedding_vec_len
hash_value_index_tensors_	[4,5,1,2,3,5,1,3,2,1]	低维嵌入表的index，样本每个key对应一个，比如50对应了 hash_table_value 第5行
sample_id	[0,0,0,0,1,1,1,2,2,3]	每个样本的每个key 对应了embedding_feature_tensors_ 中的 row index。比如CSR第一行是40,50,10,20，它们都为 embedding_feature_tensors_ 的第一行做出了贡献。
sample_id_sort	[0,1,3,0,2,1,2,0,0,1]	和 hash_value_index_sort 对应，就是 hash_value_index_sort 前三个 1 分别对应了 embedding_feature 的第1行，第2行，第4行（从0开始的序列）
hash_value_index_sort	[1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]	排序之后的结果，举例来说，1,1,1 意思是本batch之中，一共有3个key对最终embedding_feature第一行做出了贡献
new_hash_value_flag	[1,0,0,1,0,1,0,1,1,0]	为了计算每个row index对应的sample id 个数。就是找到哪些点是新行起始点
hash_value_flag_sumed	[1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]	对 new_hash_value_flag 合并，目的是得到每个group（row index）内部包含多少元素。
hash_value_index_count_offset	[0, 3, 5, 7, 8, 0, 0, 0, 0, 0]	每个block要处理低维稠密矩阵一行。如 bid = 1，它希望更新低维稠密矩阵第2行，但想知道更新几次。所以先从 hash_value_index_count_offset[1] 得到了数值 3，然后找到 hash_value_index_sort[3]。因为embedding_feature 最多只有5行（nnz个数），所以这里取前五个即可

最终思路如下:

每个block要处理低维稠密矩阵一行。假如bid=0 想更新低维矩阵第一行，就是要更新10对应的低维矩阵稠密向量。
bid对应了key（的梯度），比如 40,50,10,20,30,50,10,30,20,10 这些，其key就是10～50这个5个。
hash_value_index_count_offset ：本bid对于低维稠密矩阵该行要更新几次。sum_num = hash_value_index_count_offset[1] - hash_value_index_count_offset[0] = 3 - 0 = 3个，所以更新3次。
hash_value_index_sort ：在 [1,1,1,2,2,3,3,4,5,5] 这里找到 1,1,1，表示本batch之中一共有3个key对最终embedding_feature第一行做出了贡献。
所以 bid = 0 ，就是hash_table_value[0]这一行有三个1，应该更新3次。
sample_id_sort ：更新就是累积，就是这3次更新分别去输入梯度哪一行去找？3个10分别在梯度的0,1,3这几行。

6.7 更新权重

这是最后一步，对应了如下：

step5: use optimizer method to compute deltaw and update the parameters

调用代码如下：

注意，这里传递的是 sample_id_sort [0,1,3,0,2,1,2,0,0,1]，对应的 hash_value_index_sort 是 [1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]，hash_value_index_count_offset 是 [0, 3, 5, 7, 8, 0, 0, 0, 0, 0]。

case Optimizer_t::AdaGrad: {

  opt_adagrad_kernel<<<grid_size, block_size, 0, stream>>>(

      hash_hash_value_index_count_num, embedding_vec_size, opt_params.lr,

      opt_params.hyperparams.adagrad, opt_tensor.opt_accm_tensors_.get_ptr(),

      sample_id_sort.get_ptr(), hash_value_index_sort.get_ptr(),

      hash_value_index_count_offset.get_ptr(), wgrad.get_ptr(),

      hash_table_value.get_ptr(), opt_params.scaler);

  break;

}

很明显可以看到，其就是使用权重更新 hash_table_value。

// Local update for the Adagrad optimizer: compute the gradients and update the accumulators and the

// weights

template <typename TypeKey, typename TypeEmbeddingComp>

__global__ void opt_adagrad_kernel(uint32_t hash_value_index_count_num, int embedding_vec_size,

                                   float lr, const AdaGradParams adagrad,

                                   TypeEmbeddingComp *accum_ptr, const TypeKey *sample_id,

                                   const size_t *hash_value_index_sort,

                                   const uint32_t *hash_value_index_count_offset,

                                   const TypeEmbeddingComp *wgrad, float *hash_table_value,

                                   float scaler) {

  int bid = blockIdx.x; // 一个block对应一个样本之中的一个key，比如例子之中的30

  int tid = threadIdx.x; // 本线程

  if (tid < embedding_vec_size && bid < hash_value_index_count_num) {

    // 找到本线程样本在 hash_value_index_sort 的偏移

    uint32_t offset = hash_value_index_count_offset[bid];  // [0, 3, 5, 7, 8, 0, 0, 0, 0, 0]

    // 累积得出梯度

    float gi = accumulate_gradients(embedding_vec_size, sample_id, hash_value_index_count_offset,

                                    wgrad, scaler, offset, bid, tid);

    // 找到本样本在低维矩阵之中的row index

    size_t row_index = hash_value_index_sort[offset]; // [1,1,1,2,2,3,3,4,5,5]

    // 注意，hash_table_value 是元素级别，比如稠密向量长度是8，那么在 hash_table_value 里面就有8个元素

    // feature_index 就是得到本线程对应的 embedding vector 之中的哪个元素

    size_t feature_index = row_index * embedding_vec_size + tid;

    float accum = //accum_ptr 来自优化器

        TypeConvertFunc<float, TypeEmbeddingComp>::convert(accum_ptr[feature_index]) + gi * gi;

    accum_ptr[feature_index] = TypeConvertFunc<TypeEmbeddingComp, float>::convert(accum);

    float weight_diff = -lr * gi / (sqrtf(accum) + adagrad.epsilon);

    // 更新梯度

    hash_table_value[feature_index] += weight_diff;

  }

}

accumulate_gradients 的逻辑是：

// Helper function to accumulate the weight gradients for a thread's embedding vector

template <typename TypeKey, typename TypeEmbeddingComp>

__device__ __forceinline__ float accumulate_gradients(int embedding_vec_size,

                                                      const TypeKey *sample_id,

                                                      const uint32_t *hash_value_index_count_offset,

                                                      const TypeEmbeddingComp *wgrad, float scaler,

                                                      uint32_t offset, int bid, int tid) {

  // 哪一行更新几次

  // 如果bid=0,则sum_num = hash_value_index_count_offset[1] - hash_value_index_count_offset[0] = 3 - 0 = 3个。bid对应了key，比如 40,50,10,20,30,50,10,30,20,10 这些key，其key就是10～50这个5个。所以 bid = 0 就是要更新10对应的低维矩阵稠密向量，就是hash_table_value[0]这一行，有三个1，应该更新3次。

  uint32_t sample_num = hash_value_index_count_offset[bid + 1] - hash_value_index_count_offset[bid];

  // 计算梯度

  float gi = 0.0f;

  // sample_id_sort [0,1,3,0,2,1,2,0,0,1] ---- 第几行，恰恰和 wgrad 对上了

  for (int i = 0; i < sample_num; i++) { // offset 就是0, 3, 5, 7, 8，比如对于第1行，需要更新3次

    // sample_id 是[0,1,3,0,2,1,2,0,0,1]，对应了低维矩阵第1,2,4,...,行，就是3个10分别在输出稠密向量的哪一行

    // 更新这几次，就是一个累积，这个累积用哪些梯度来累积。

    int sample_index = sample_id[offset + i]; // 找到本样本梯度

    gi += TypeConvertFunc<float, TypeEmbeddingComp>::convert(

        wgrad[sample_index * embedding_vec_size + tid]); // 本线程梯度，并且累积

  }

  return gi / scaler;

}

最终具体如下图：

至此，我们关于 DistributedSlotSparseEmbeddingHash 分析全部完成，下一篇介绍 LocalSlotSparseEmbeddingHash。

0xFF 参考

https://nvlabs.github.io/cub/annotated.html

https://developer.nvidia.com/blog/introducing-merlin-hugectr-training-framework-dedicated-to-recommender-systems/

https://developer.nvidia.com/blog/announcing-nvidia-merlin-application-framework-for-deep-recommender-systems/

https://developer.nvidia.com/blog/accelerating-recommender-systems-training-with-nvidia-merlin-open-beta/

HugeCTR源码阅读

embedding层如何反向传播

https://web.eecs.umich.edu/~justincj/teaching/eecs442/notes/linear-backprop.html

稀疏矩阵存储格式总结+存储效率对比:COO,CSR,DIA,ELL,HYB

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https://docs.nvidia.com/deeplearning/nccl/user-guide/docs/usage/operations.html

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