自适应选择重计算

背景与挑战

Megatron重计算技术是优化内存使用的关键手段，通过避免冗余数据存储以减少内存占用。然而，传统的重计算策略往往预设固定模式，未能动态响应实际内存需求，限制了内存资源的高效利用。

解决方案

为了实现NPU内存资源的最大化利用并显著提升模型训练效率，我们引入了自适应选择重计算特性。这一创新机制能够智能调整训练过程中的内存分配，依据当前内存状况动态选择最佳的重计算策略。

自适应选择重计算特性由三大关键组件构成：

• 重计算策略搜索：根据实时内存状态，智能筛选最适宜的重计算方案。
• SwapManager功能集成：确保关键张量能在CPU与NPU间无缝迁移，预防因内存溢出而导致的训练中断。
• 内存管理：适配Ascend Extension for PyTorch的NPU PluggableAllocator接口，实现OOM（Out of Memory）异常的及时响应与处理。

重计算策略搜索依赖SwapManager功能，及时将tensor换到CPU，避免OOM导致训练中断。自动选择重计算策略流程如下图所示。

图1 自动选择重计算策略流程

图2 SwapManager管理流程

使用场景

特别适用于训练阶段，尤其是当全重计算模式下NPU内存仍有较大剩余空间，想进行更细粒度的重计算以追求更优训练性能的场景。

使用方法

• 在训练脚本中配置如下参数启用该特性：

  --adaptive-recompute-device-swap

• 可选参数
  • 指定自适应选择重计算策略的训练内存大小，单位为MB。

    --adaptive-recompute-device-size   N 

    内存大于0为有效内存，最大内存限度为Device最大内存。在该范围内自适应重计算才可以进行最优策略搜寻，当配值不在有效内存范围内，将读取到Device最大内存信息作为默认值。需要注意的是内存设定较小时，性能会与全重计算一致。如遇内存溢出（OOM，Out of Memory）情况，系统将提示相应错误。此时，用户需重新设定一个更为合理的内存分配值，进而重启模型训练流程。对于寻求性能最优化的高级用户，我们推荐采用二分查找算法（Binary Search Algorithm）来精确确定最优内存配置。通过迭代缩小测试范围，逐步逼近最适宜的内存阈值，从而在保障训练稳定性的同时，最大化利用可用资源。然而，鉴于该方法对用户的专业知识有一定要求，初学者或不熟悉此特性的用户应谨慎操作，避免不当配置带来的训练中断风险或效率低下。

  • 设置停止收集训练信息的步数，默认为10步，推荐值大于5。

    --adaptive-recompute-profiling-step    N

    非标准设置（小于5或者大于总步数的十分之一）会产生警告信息，不影响训练进程及结果，不会对性能和精度有影响。

• 自适应选择重计算暂只适用于--use-legacy-models。
• 当前自适应选择性重计算与全重计算、选择重计算、重计算流水独立调度、激活函数重计算、预取特性swap-attention等特性均不兼容。
• 由于自适应选择重计算特性修改了内存管理模块，打开会存在冲突，MindSpeed进行了assert判断。
• 自适应重计算通过实现自身的allocator对OOM进行拦截，该allocator支持环境变量PYTORCH_NPU_ALLOC_CONF，详情可参见《环境变量参考》中的“PYTORCH_NPU_ALLOC_CONF”章节。

使用效果

相较于全重计算模式，LLaMA2-7B模型训练场景下性能提升10%以上，显著优化了训练效率与资源利用。