Многопоточность в машинном обучении

Следует выделить следующие виды параллелизма:

• Параллелизм на уровне инструкций (ILP): запускать несколько инструкций одновременно.
• Параллелизм одна инструкция множество данных(SIMD): одна инструкция работает с вектором чисел
• Многопоточный параллелизм: несколько независимых рабочих потоков взаимодействуют через абстракцию совместно используемой памяти.
• Распределенные вычисления: несколько независимых рабочих компьютеров взаимодействуют по сети. (MLlib на Spark, Mahout на Hadoop)

Идеи используемые для ускорения вычислений в ML

Параллелизм для ускорения линейной алгебры.

Мы можем значительно повысить производительность, создав ядра линейной алгебры (например, умножение матриц, векторное сложение и т.д.), которые используют параллелизм для ускорения работы. Поскольку умножение матриц занимает большую часть обучения нейронных сетей, это может привести к значительному сквозному ускорению обучающего конвейера. В основе этого лежит параллелизм ILP, SIMD а для больших матриц также может использоваться многопоточность.

Примеры оптимизаций:

• Высоко оптимизированные тензорные библиотеки для арифметики.
• Алгоритмы в терминах матричных операций, а не векторных операций, насколько это возможно.
• Broadcast операции, а не циклы.
• Распараллеленные реализации некоторых специальных операций (таких как свертки для CNN).

Параллелизм broadcast операций

Просмотрите код наивной реализации поэлементное произведение двух векторов на Python

 def elementwise_product(x, y):
     assert(len(x) == len(y))
     z = numpy.zeros(len(x))
     for i in range(len(x)):
         z[i] = x[i] * y[i]
     return z

Такой код лучше заменять на broadcast операции из numpy, которые выигрывают от векторизации и ILP. Также такой код может быть легко распараллелен для больших векторов

Параллелизм в оптимизации гиперпараметров

Для параллельной оптимизации геперпараметров можно использовать поиск по решётке или случайный поиск в которых мы можем оценить параметры независимо. Такая оптимизации часто встречаются в библиотеках машинного обучения.

Параллелизм кросс-валидации

Полная кросс-валидация, k-fold, t×k-fold, Leave-One-Out легко распараллеливаются на несколько потоков, каждый из которых работает на своем разбиении данных

Параллелизм GPU

Типичное число потоков обработки графического процессора - десятки тысяч, что позволяет вычислять одну и ту же операцию параллельно на множестве элементов. Фреймворки машинного обучения, такие как TensorFlow, PyTorch и MxNet используют эти возможности через библиотеки от компаний производителей графических ускорителей: cuBLAS - библиотека от Nvidia позволяющая эффективно перемножать матрицы. CUDA - язык параллельного программирования/вычислительная платформа для вычислений общего назначения на графическом процессоре

Параллелизм SGD

Запускаем внешний цикл SGD параллельно в пуле потоков и используем конструкции синхронизации, такие как блокировки, чтобы предотвратить состояние гонки. Но это может работать медленно из-за накладных расходов на синхронизацию. Еще более интересная идея (называемая асинхронным SGD или Hogwild): Несколько потоков запускают SGD параллельно без какой-либо синхронизации. Теперь условия гонки могут возникнуть, но оказывается, что во многих случаях это хорошо, шум/ошибка в условиях гонки просто добавляет небольшое количество к шуму/ошибке, уже присутствующей в алгоритм из-за случайной выборки градиента.

Источники информации

1. Principles of Large-Scale Machine Learning