# NVMe offload

作者: Hongxin Liu

**前置教程:**
- [基于Chunk内存管理的零冗余优化器 (ZeRO)](../features/zero_with_chunk.md)

**相关论文**

- [ZeRO-Offload: Democratizing Billion-Scale Model Training](https://arxiv.org/abs/2101.06840)
- [ZeRO-Infinity: Breaking the GPU Memory Wall for Extreme Scale Deep Learning](https://arxiv.org/abs/2104.07857)
## 引言

如果模型具有`N`个参数，在使用 Adam 时，优化器状态具有`8N`个参数。对于十亿规模的模型，优化器状态至少需要 32 GB 内存。 GPU显存限制了我们可以训练的模型规模，这称为GPU显存墙。如果我们将优化器状态 offload 到磁盘，我们可以突破 GPU 内存墙。

我们实现了一个用户友好且高效的异步 Tensor I/O 库：[TensorNVMe](https://github.com/hpcaitech/TensorNVMe)。有了这个库，我们可以简单地实现 NVMe offload。

> 该库与各种磁盘（HDD、SATA SSD 和 NVMe SSD）兼容。由于 HDD 或 SATA SSD 的 I/O 带宽较低，建议仅在 NVMe 磁盘上使用此库。

在优化参数时，我们可以将优化过程分为三个阶段：读取、计算和 offload。我们以流水线的方式执行优化过程，这可以重叠计算和 I/O。

<figure style={{textAlign: "center"}}>
<img src="https://s2.loli.net/2022/08/16/CvRnowrsNyB4hza.jpg"/>
<figcaption>优化过程</figcaption>
</figure>


## 使用

首先，请确保您安装了 [TensorNVMe](https://github.com/hpcaitech/TensorNVMe):

```shell
pip install packaging
pip install tensornvme
```

我们为 Adam ([CPUAdam](https://colossalai.readthedocs.io/en/latest/colossalai/colossalai.nn.optimizer.cpu_adam.html) 和 [HybridAdam](https://colossalai.readthedocs.io/en/latest/colossalai/colossalai.nn.optimizer.hybrid_adam.html)) 实现了优化器状态的 NVMe offload。

<!--- doc-test-ignore-start -->

```python
from colossalai.nn.optimizer import CPUAdam, HybridAdam

optimizer = HybridAdam(model.parameters(), lr=1e-3, nvme_offload_fraction=1.0, nvme_offload_dir='./')
```

<!--- doc-test-ignore-end -->

`nvme_offload_fraction` 是要 offload 到 NVMe 的优化器状态的比例。 `nvme_offload_dir` 是保存 NVMe offload 文件的目录。如果 `nvme_offload_dir` 为 `None`，将使用随机临时目录。

它与 ColossalAI 中的所有并行方法兼容。


> ⚠ 它只会卸载在 CPU 上的优化器状态。这意味着它只会影响 CPU 训练或者使用卸载的 Zero/Gemini。

## Examples

首先让我们从两个简单的例子开始 -- 用不同的方法训练 GPT。这些例子依赖`transformers`。

我们首先应该安装依赖：

```shell
pip install psutil transformers
```

首先，我们导入必要的包和模块：

```python
import os
import time
from typing import Dict, Optional
import psutil
import torch
import torch.nn as nn
from transformers.models.gpt2.configuration_gpt2 import GPT2Config
from transformers.models.gpt2.modeling_gpt2 import GPT2LMHeadModel
import colossalai
from colossalai.nn.optimizer import HybridAdam
from colossalai.utils.model.colo_init_context import ColoInitContext
from colossalai.booster import Booster
from colossalai.booster.plugin import GeminiPlugin
```

然后我们定义一个损失函数：

```python
class GPTLMLoss(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
    def forward(self, logits, labels):
        shift_logits = logits[..., :-1, :].contiguous()
        shift_labels = labels[..., 1:].contiguous()
        # Flatten the tokens
        return self.loss_fn(shift_logits.view(-1, shift_logits.size(-1)),
                            shift_labels.view(-1))
```

我们定义一些工具函数，用来生成随机数据、计算模型参数量和获取当前进程内存占用：

```python
def get_data(batch_size: int, seq_len: int,
             vocab_size: int, device: Optional[str] = None) -> Dict[str, torch.Tensor]:
    device = torch.cuda.current_device() if device is None else device
    input_ids = torch.randint(vocab_size, (batch_size, seq_len),
                              device=device)
    attn_mask = torch.ones_like(input_ids)
    return dict(input_ids=input_ids, attention_mask=attn_mask)
def get_model_numel(model: nn.Module) -> int:
    return sum(p.numel() for p in model.parameters())
def get_mem_usage() -> int:
    proc = psutil.Process(os.getpid())
    return proc.memory_info().rss
```

我们首先尝试在 CPU 上训练 GPT 模型：

```python
def train_cpu(nvme_offload_fraction: float = 0.0):
    config = GPT2Config()
    model = GPT2LMHeadModel(config)
    criterion = GPTLMLoss()
    optimizer = HybridAdam(model.parameters(), nvme_offload_fraction=nvme_offload_fraction)
    print(f'Model numel: {get_model_numel(model) / 1024**3:.3f} B')
    start = time.time()
    for step in range(3):
        data = get_data(4, 128, config.vocab_size, device='cpu')
        outputs = model(**data)
        loss = criterion(outputs.logits, data['input_ids'])
        loss.backward()
        optimizer.step()
        optimizer.zero_grad()
        print(f'[{step}] loss: {loss.item():.3f}')
    print(f'Time: {time.time() - start:.3f} s')
    print(f'Mem usage: {get_mem_usage() / 1024**2:.3f} MB')
```

不使用 NVME 卸载：

```python
train_cpu(0.0)
```

我们可能得到如下输出：

```
Model numel: 0.116 B
[0] loss: 10.953
[1] loss: 10.974
[2] loss: 10.965
Time: 7.739 s
Mem usage: 5966.445 MB
```

然后使用（全量） NVME 卸载：

```python
train_cpu(1.0)
```

我们可能得到：

```
Model numel: 0.116 B
[0] loss: 10.951
[1] loss: 10.994
[2] loss: 10.984
Time: 8.527 s
Mem usage: 4968.016 MB
```

对于有1.16亿参数的 GPT2-S 来说，它的优化器状态大约需要占用 0.928 GB 内存。NVME 卸载节省了大约 998 MB 内存，符合我们的预期。

然后我们可以用 Gemini 来训练 GPT 模型。放置策略应该设置为`"auto"`、 `"cpu"` 或 `"const"`。

```python
def train_gemini_cpu(nvme_offload_fraction: float = 0.0):
    colossalai.launch_from_torch({})
    config = GPT2Config()
    with ColoInitContext(device=torch.cuda.current_device()):
        model = GPT2LMHeadModel(config)
    criterion = GPTLMLoss()
    optimizer = HybridAdam(model.parameters(), nvme_offload_fraction=nvme_offload_fraction)
    print(f'Model numel: {get_model_numel(model) / 1024**3:.3f} B')

    plugin = GeminiPlugin(
                strict_ddp_mode=True,
                device=torch.cuda.current_device(),
                placement_policy='cpu',
                pin_memory=True,
                hidden_dim=config.n_embd,
                initial_scale=2**5
                )
    booster = Booster(plugin)
    model, optimizer, criterion, _* = booster.boost(model, optimizer, criterion)

    start = time.time()
    for step in range(3):
        data = get_data(4, 128, config.vocab_size)
        outputs = model(**data)
        loss = criterion(outputs.logits, data['input_ids'])
        booster.backward(loss, optimizer)
        optimizer.step()
        optimizer.zero_grad()
        print(f'[{step}] loss: {loss.item():.3f}')
    print(f'Time: {time.time() - start:.3f} s')
    print(f'Mem usage: {get_mem_usage() / 1024**2:.3f} MB')
```

不使用 NVME 卸载：

```python
train_gemini_cpu(0.0)
```

我们可能得到：

```
Model numel: 0.116 B
searching chunk configuration is completed in 0.27 s.
used number: 118.68 MB, wasted number: 0.75 MB
total wasted percentage is 0.63%
[0] loss: 10.953
[1] loss: 10.938
[2] loss: 10.969
Time: 2.997 s
Mem usage: 5592.227 MB
```

然后使用（全量） NVME 卸载：

```python
train_gemini_cpu(1.0)
```

我们可能得到：

```
Model numel: 0.116 B
searching chunk configuration is completed in 0.27 s.
used number: 118.68 MB, wasted number: 0.75 MB
total wasted percentage is 0.63%
[0] loss: 10.953
[1] loss: 10.938
[2] loss: 10.969
Time: 3.691 s
Mem usage: 5298.344 MB
```

NVME 卸载节省了大约 294 MB 内存。注意使用 Gemini 的 `pin_memory` 功能可以加速训练，但是会增加内存占用。所以这个结果也是符合我们预期的。如果我们关闭 `pin_memory`，我们仍然可以观察到大约 900 MB 的内存占用下降。

## API 参考

{{ autodoc:colossalai.nn.optimizer.HybridAdam }}

{{ autodoc:colossalai.nn.optimizer.CPUAdam }}


<!-- doc-test-command: torchrun --standalone --nproc_per_node=1 nvme_offload.py  -->