TensorFlow分布式计算机制解读：以数据并行为重

Tensorflow 是一个为数值计算(最常见的是训练神经网络)设计的流行开源库。在这个框架中，计算流程通过数据流程图(data flow graph)设计，这为更改操作结构与安置提供了很大灵活性。TensorFlow 允许多个 worker 并行计算，这对必须通过处理的大量训练数据训练的神经网络是有益的。此外，如果模型足够大，这种并行化有时可能是必须的。在本文中，我们将探讨 TensorFlow 的分布式计算机制。

TensorFlow 计算图示例

数据并行 VS. 模型并行

当在多个计算节点间分配神经网络训练时，通常采用两种策略：数据并行和模型并行。在前者中，在每个节点上单独创建模型的实例，并馈送不同的训练样本;这种架构允许更高的训练吞吐量。相反，在模型并行中，模型的单一实例在多个节点间分配，这种架构允许训练更大的模型(可能不一定适合单节点的存储器http://aomenyonli.cn/)。如果需要，也可以组合这两种策略，使给定模型拥有多个实例，每个实例跨越多个节点。在本文中，我们将重点关注数据并行。

数据并行与模型并行的不同形式。左：数据并行;中：模型并行;右：数据并行与模型并行。

TensorFlow 中的数据并行

当使用 TensorFlow 时，数据并行主要表现为两种形式：图内复制(ihttp://dajinnylee.cn/n-graph replication)和图间复制(between-graph replication)。两种策略之间最显著的区别在于流程图的结构与其结果。

图内复制

图内复制通常被认为是两种方法中更简单和更直接(但更不可扩展的)的方法。当采用这种策略时，需要在分布式的主机上创建一个包含所有 worker 设备中副本的流程图。可以想象，随着 worker 数量的增长，这样的流程图可能会大幅扩展，这可能会对模型性能产生不利影响。然而，对于小系统(例如，双 GPU 台式计算机)，由于其简单性，图内复制可能是最优的。

以下是使用单个 GPU 的基线 TensorFlow 方法与应用图内复制方法的代码片段的对比。考虑到图内复制方法与扩展(scaling)相关的问题，我们将仅考虑单机、多 GPU 配置的情况。这两个代码片段之间的差异非常小，它们的差异仅存在于：对输入数据的分块，使得数据在各 worker 间均匀分配，遍历每个含有 worker 流程图的设备，并将来自不同 worker 的结果连接起来。通过少量代码更改，我们可以利用多个设备，这种方法使可扩展性不再成为大障碍，从而在简单配置下更受欢迎。

# single GPU (baseline) import tensorflow as tf # place the initial data on the cpu withtf.device('/cpu:0'): input_data = tf.Variable([[1.,2., 3.], [4., 5., 6.],[7., 8., 9.], [10., 11.,12.]]) b = tf.Variable([[1.],[1.], [2.]]) # compute the result on the 0th gpu withtf.device('/gpu:0'): output = tf.matmul(input_data, b) # create a session and run with tf.Session() as sess:sess.run(tf.global_variables_initializer()) print sess.run(output) # in-graph replication import tensorflow as tf num_gpus = 2 # place the initial data on the cpuwith tf.device('/cpu:0'): input_data = tf.Variable([[1.,2., 3.], [4., 5., 6.],[7., 8., 9.], [10., 11.,12.]]) b = tf.Variable([[1.],[1.], [2.]]) # split the data into chunks for each gpu inputs= tf.split(input_data, num_gpus) outputs = [] # loop over available gpus and pass input data for i in range(num_gpus): withtf.device('/gpu:'+str(i)):outputs.append(tf.matmul(inputs[i], b)) # merge the results of the devices with tf.device('/cpu:0'): output = tf.concat(outputs,axis=0) # create a session and run with tf.Session() as sess:sess.run(tf.global_variables_initializer()) print sess.run(output)

这些更改也可以通过检查下面的 TensorFlow 流程图来可视化。增加的 GPU 模块说明了原始方法的扩展方式。

图内复制的可视化。左：原始图。右：图内复制的结果图