Treinamento personalizado com tf.distribute.Strategy

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Este tutorial demonstra como usar tf.distribute.Strategy com loops de treinamento personalizados. Vamos treinar um modelo CNN simples no conjunto de dados fashion MNIST. O conjunto de dados fashion MNIST contém 60.000 imagens de trem de tamanho 28 x 28 e 10.000 imagens de teste de tamanho 28 x 28.

Estamos usando loops de treinamento personalizados para treinar nosso modelo porque eles nos dão flexibilidade e maior controle no treinamento. Além disso, é mais fácil depurar o modelo e o loop de treinamento.

# Import TensorFlow
import tensorflow as tf

# Helper libraries
import numpy as np
import os

print(tf.__version__)

2.8.0-rc1

Faça o download do conjunto de dados MNIST de moda

fashion_mnist = tf.keras.datasets.fashion_mnist

(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = fashion_mnist.load_data()

# Adding a dimension to the array -> new shape == (28, 28, 1)
# We are doing this because the first layer in our model is a convolutional
# layer and it requires a 4D input (batch_size, height, width, channels).
# batch_size dimension will be added later on.
train_images = train_images[..., None]
test_images = test_images[..., None]

# Getting the images in [0, 1] range.
train_images = train_images / np.float32(255)
test_images = test_images / np.float32(255)

Crie uma estratégia para distribuir as variáveis ​​e o gráfico

Como funciona a estratégia tf.distribute.MirroredStrategy ?

  • Todas as variáveis ​​e o gráfico do modelo são replicados nas réplicas.
  • A entrada é distribuída uniformemente pelas réplicas.
  • Cada réplica calcula a perda e os gradientes para a entrada recebida.
  • Os gradientes são sincronizados em todas as réplicas somando-os.
  • Após a sincronização, a mesma atualização é feita nas cópias das variáveis ​​em cada réplica.
# If the list of devices is not specified in the
# `tf.distribute.MirroredStrategy` constructor, it will be auto-detected.
strategy = tf.distribute.MirroredStrategy()

INFO:tensorflow:Using MirroredStrategy with devices ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:GPU:0',)

print ('Number of devices: {}'.format(strategy.num_replicas_in_sync))

Number of devices: 1

Configurar pipeline de entrada

Exporte o gráfico e as variáveis ​​para o formato SavedModel independente de plataforma. Depois que seu modelo for salvo, você poderá carregá-lo com ou sem o escopo.

BUFFER_SIZE = len(train_images)

BATCH_SIZE_PER_REPLICA = 64
GLOBAL_BATCH_SIZE = BATCH_SIZE_PER_REPLICA * strategy.num_replicas_in_sync

EPOCHS = 10

Crie os conjuntos de dados e distribua-os:

train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((train_images, train_labels)).shuffle(BUFFER_SIZE).batch(GLOBAL_BATCH_SIZE) 
test_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((test_images, test_labels)).batch(GLOBAL_BATCH_SIZE) 

train_dist_dataset = strategy.experimental_distribute_dataset(train_dataset)
test_dist_dataset = strategy.experimental_distribute_dataset(test_dataset)

2022-01-26 05:45:53.991501: W tensorflow/core/grappler/optimizers/data/auto_shard.cc:776] AUTO sharding policy will apply DATA sharding policy as it failed to apply FILE sharding policy because of the following reason: Found an unshardable source dataset: name: "TensorSliceDataset/_2"
op: "TensorSliceDataset"
input: "Placeholder/_0"
input: "Placeholder/_1"
attr {
  key: "Toutput_types"
  value {
    list {
      type: DT_FLOAT
      type: DT_UINT8
    }
  }
}
attr {
  key: "_cardinality"
  value {
    i: 60000
  }
}
attr {
  key: "is_files"
  value {
    b: false
  }
}
attr {
  key: "metadata"
  value {
    s: "\n\024TensorSliceDataset:0"
  }
}
attr {
  key: "output_shapes"
  value {
    list {
      shape {
        dim {
          size: 28
        }
        dim {
          size: 28
        }
        dim {
          size: 1
        }
      }
      shape {
      }
    }
  }
}
experimental_type {
  type_id: TFT_PRODUCT
  args {
    type_id: TFT_DATASET
    args {
      type_id: TFT_PRODUCT
      args {
        type_id: TFT_TENSOR
        args {
          type_id: TFT_FLOAT
        }
      }
      args {
        type_id: TFT_TENSOR
        args {
          type_id: TFT_UINT8
        }
      }
    }
  }
  args {
    type_id: TFT_DATASET
    args {
      type_id: TFT_PRODUCT
      args {
        type_id: TFT_TENSOR
        args {
          type_id: TFT_FLOAT
        }
      }
      args {
        type_id: TFT_TENSOR
        args {
          type_id: TFT_UINT8
        }
      }
    }
  }
}

2022-01-26 05:45:54.034762: W tensorflow/core/grappler/optimizers/data/auto_shard.cc:776] AUTO sharding policy will apply DATA sharding policy as it failed to apply FILE sharding policy because of the following reason: Found an unshardable source dataset: name: "TensorSliceDataset/_2"
op: "TensorSliceDataset"
input: "Placeholder/_0"
input: "Placeholder/_1"
attr {
  key: "Toutput_types"
  value {
    list {
      type: DT_FLOAT
      type: DT_UINT8
    }
  }
}
attr {
  key: "_cardinality"
  value {
    i: 10000
  }
}
attr {
  key: "is_files"
  value {
    b: false
  }
}
attr {
  key: "metadata"
  value {
    s: "\n\024TensorSliceDataset:3"
  }
}
attr {
  key: "output_shapes"
  value {
    list {
      shape {
        dim {
          size: 28
        }
        dim {
          size: 28
        }
        dim {
          size: 1
        }
      }
      shape {
      }
    }
  }
}
experimental_type {
  type_id: TFT_PRODUCT
  args {
    type_id: TFT_DATASET
    args {
      type_id: TFT_PRODUCT
      args {
        type_id: TFT_TENSOR
        args {
          type_id: TFT_FLOAT
        }
      }
      args {
        type_id: TFT_TENSOR
        args {
          type_id: TFT_UINT8
        }
      }
    }
  }
  args {
    type_id: TFT_DATASET
    args {
      type_id: TFT_PRODUCT
      args {
        type_id: TFT_TENSOR
        args {
          type_id: TFT_FLOAT
        }
      }
      args {
        type_id: TFT_TENSOR
        args {
          type_id: TFT_UINT8
        }
      }
    }
  }
}

Crie o modelo

Crie um modelo usando tf.keras.Sequential . Você também pode usar a API Model Subclassing para fazer isso.

def create_model():
  model = tf.keras.Sequential([
      tf.keras.layers.Conv2D(32, 3, activation='relu'),
      tf.keras.layers.MaxPooling2D(),
      tf.keras.layers.Conv2D(64, 3, activation='relu'),
      tf.keras.layers.MaxPooling2D(),
      tf.keras.layers.Flatten(),
      tf.keras.layers.Dense(64, activation='relu'),
      tf.keras.layers.Dense(10)
    ])

  return model

# Create a checkpoint directory to store the checkpoints.
checkpoint_dir = './training_checkpoints'
checkpoint_prefix = os.path.join(checkpoint_dir, "ckpt")

Defina a função de perda

Normalmente, em uma única máquina com 1 GPU/CPU, a perda é dividida pelo número de exemplos no lote de entrada.

Então, como a perda deve ser calculada ao usar um tf.distribute.Strategy ?

  • Por exemplo, digamos que você tenha 4 GPUs e um tamanho de lote de 64. Um lote de entrada é distribuído pelas réplicas (4 GPUs), cada réplica recebendo uma entrada de tamanho 16.

  • O modelo em cada réplica faz uma passagem direta com sua respectiva entrada e calcula a perda. Agora, ao invés de dividir a perda pelo número de exemplos em sua respectiva entrada (BATCH_SIZE_PER_REPLICA = 16), a perda deve ser dividida pelo GLOBAL_BATCH_SIZE (64).

Por que fazer isso?

  • Isso precisa ser feito porque depois que os gradientes são calculados em cada réplica, eles são sincronizados entre as réplicas somando -os.

Como fazer isso no TensorFlow?

  • Se você estiver escrevendo um loop de treinamento personalizado, como neste tutorial, você deve somar as perdas por exemplo e dividir a soma pelo GLOBAL_BATCH_SIZE: scale_loss = tf.reduce_sum(loss) * (1. / GLOBAL_BATCH_SIZE) ou você pode usar tf.nn.compute_average_loss que usa a perda por exemplo, pesos de amostra opcionais e GLOBAL_BATCH_SIZE como argumentos e retorna a perda em escala.

  • Se você estiver usando perdas de regularização em seu modelo, precisará dimensionar o valor da perda por número de réplicas. Você pode fazer isso usando a função tf.nn.scale_regularization_loss .

  • O uso tf.reduce_mean não é recomendado. Isso divide a perda pelo tamanho real do lote de réplica, que pode variar passo a passo.

  • Essa redução e dimensionamento é feito automaticamente em keras model.compile e model.fit

  • Se estiver usando as classes tf.keras.losses (como no exemplo abaixo), a redução de perda precisa ser explicitamente especificada como NONE ou SUM . AUTO e SUM_OVER_BATCH_SIZE não são permitidos quando usados ​​com tf.distribute.Strategy . AUTO não é permitido porque o usuário deve pensar explicitamente sobre qual redução deseja ter certeza de que está correta no caso distribuído. SUM_OVER_BATCH_SIZE não é permitido porque atualmente ele só dividiria por tamanho de lote de réplica e deixaria a divisão pelo número de réplicas para o usuário, o que pode ser fácil de perder. Então, em vez disso, pedimos ao usuário que faça a redução explicitamente.

  • Se os labels forem multidimensionais, calcule a média de per_example_loss no número de elementos em cada amostra. Por exemplo, se a forma das predictions for (batch_size, H, W, n_classes) e os labels forem (batch_size, H, W) , será necessário atualizar per_example_loss como: per_example_loss /= tf.cast(tf.reduce_prod(tf.shape(labels)[1:]), tf.float32)

with strategy.scope():
  # Set reduction to `none` so we can do the reduction afterwards and divide by
  # global batch size.
  loss_object = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(
      from_logits=True,
      reduction=tf.keras.losses.Reduction.NONE)
  def compute_loss(labels, predictions):
    per_example_loss = loss_object(labels, predictions)
    return tf.nn.compute_average_loss(per_example_loss, global_batch_size=GLOBAL_BATCH_SIZE)

Defina as métricas para rastrear a perda e a precisão

Essas métricas rastreiam a perda de teste e o treinamento e a precisão do teste. Você pode usar .result() para obter as estatísticas acumuladas a qualquer momento.

with strategy.scope():
  test_loss = tf.keras.metrics.Mean(name='test_loss')

  train_accuracy = tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(
      name='train_accuracy')
  test_accuracy = tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(
      name='test_accuracy')

INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).
INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).
INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).
INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).
INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).
INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).
INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).
INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).
INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).
INFO:tensorflow:Reduce to /job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0 then broadcast to ('/job:localhost/replica:0/task:0/device:CPU:0',).

Ciclo de treinamento

# model, optimizer, and checkpoint must be created under `strategy.scope`.
with strategy.scope():
  model = create_model()

  optimizer = tf.keras.optimizers.Adam()

  checkpoint = tf.train.Checkpoint(optimizer=optimizer, model=model)

def train_step(inputs):
  images, labels = inputs

  with tf.GradientTape() as tape:
    predictions = model(images, training=True)
    loss = compute_loss(labels, predictions)

  gradients = tape.gradient(loss, model.trainable_variables)
  optimizer.apply_gradients(zip(gradients, model.trainable_variables))

  train_accuracy.update_state(labels, predictions)
  return loss 

def test_step(inputs):
  images, labels = inputs

  predictions = model(images, training=False)
  t_loss = loss_object(labels, predictions)

  test_loss.update_state(t_loss)
  test_accuracy.update_state(labels, predictions)

# `run` replicates the provided computation and runs it
# with the distributed input.
@tf.function
def distributed_train_step(dataset_inputs):
  per_replica_losses = strategy.run(train_step, args=(dataset_inputs,))
  return strategy.reduce(tf.distribute.ReduceOp.SUM, per_replica_losses,
                         axis=None)

@tf.function
def distributed_test_step(dataset_inputs):
  return strategy.run(test_step, args=(dataset_inputs,))

for epoch in range(EPOCHS):
  # TRAIN LOOP
  total_loss = 0.0
  num_batches = 0
  for x in train_dist_dataset:
    total_loss += distributed_train_step(x)
    num_batches += 1
  train_loss = total_loss / num_batches

  # TEST LOOP
  for x in test_dist_dataset:
    distributed_test_step(x)

  if epoch % 2 == 0:
    checkpoint.save(checkpoint_prefix)

  template = ("Epoch {}, Loss: {}, Accuracy: {}, Test Loss: {}, "
              "Test Accuracy: {}")
  print (template.format(epoch+1, train_loss,
                         train_accuracy.result()*100, test_loss.result(),
                         test_accuracy.result()*100))

  test_loss.reset_states()
  train_accuracy.reset_states()
  test_accuracy.reset_states()

Epoch 1, Loss: 0.5106383562088013, Accuracy: 81.77999877929688, Test Loss: 0.39399346709251404, Test Accuracy: 85.79000091552734
Epoch 2, Loss: 0.3362727463245392, Accuracy: 87.91333770751953, Test Loss: 0.35871225595474243, Test Accuracy: 86.7699966430664
Epoch 3, Loss: 0.2928692400455475, Accuracy: 89.2683334350586, Test Loss: 0.2999486029148102, Test Accuracy: 89.04000091552734
Epoch 4, Loss: 0.2605818510055542, Accuracy: 90.41999816894531, Test Loss: 0.28474125266075134, Test Accuracy: 89.47000122070312
Epoch 5, Loss: 0.23641237616539001, Accuracy: 91.32166290283203, Test Loss: 0.26421546936035156, Test Accuracy: 90.41000366210938
Epoch 6, Loss: 0.2192477434873581, Accuracy: 91.90499877929688, Test Loss: 0.2650589942932129, Test Accuracy: 90.4800033569336
Epoch 7, Loss: 0.20016911625862122, Accuracy: 92.66999816894531, Test Loss: 0.25025954842567444, Test Accuracy: 90.9000015258789
Epoch 8, Loss: 0.18381091952323914, Accuracy: 93.26499938964844, Test Loss: 0.2585820257663727, Test Accuracy: 90.95999908447266
Epoch 9, Loss: 0.1699329912662506, Accuracy: 93.67500305175781, Test Loss: 0.26234227418899536, Test Accuracy: 91.0199966430664
Epoch 10, Loss: 0.15756534039974213, Accuracy: 94.16333770751953, Test Loss: 0.25516414642333984, Test Accuracy: 90.93000030517578

Pontos a serem observados no exemplo acima:

Restaure o último ponto de verificação e teste

Um modelo com checkpoint tf.distribute.Strategy pode ser restaurado com ou sem uma estratégia.

eval_accuracy = tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(
      name='eval_accuracy')

new_model = create_model()
new_optimizer = tf.keras.optimizers.Adam()

test_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((test_images, test_labels)).batch(GLOBAL_BATCH_SIZE)

@tf.function
def eval_step(images, labels):
  predictions = new_model(images, training=False)
  eval_accuracy(labels, predictions)

checkpoint = tf.train.Checkpoint(optimizer=new_optimizer, model=new_model)
checkpoint.restore(tf.train.latest_checkpoint(checkpoint_dir))

for images, labels in test_dataset:
  eval_step(images, labels)

print ('Accuracy after restoring the saved model without strategy: {}'.format(
    eval_accuracy.result()*100))

Accuracy after restoring the saved model without strategy: 91.0199966430664

Formas alternativas de iterar em um conjunto de dados

Usando iteradores

Se você deseja iterar em um determinado número de etapas e não em todo o conjunto de dados, você pode criar um iterador usando a chamada iter e explicitamente chamar next no iterador. Você pode optar por iterar sobre o conjunto de dados dentro e fora do tf.function. Aqui está um pequeno trecho demonstrando a iteração do conjunto de dados fora do tf.function usando um iterador.

for _ in range(EPOCHS):
  total_loss = 0.0
  num_batches = 0
  train_iter = iter(train_dist_dataset)

  for _ in range(10):
    total_loss += distributed_train_step(next(train_iter))
    num_batches += 1
  average_train_loss = total_loss / num_batches

  template = ("Epoch {}, Loss: {}, Accuracy: {}")
  print (template.format(epoch+1, average_train_loss, train_accuracy.result()*100))
  train_accuracy.reset_states()

Epoch 10, Loss: 0.17486707866191864, Accuracy: 93.4375
Epoch 10, Loss: 0.12386945635080338, Accuracy: 95.3125
Epoch 10, Loss: 0.16411852836608887, Accuracy: 93.90625
Epoch 10, Loss: 0.10728752613067627, Accuracy: 96.40625
Epoch 10, Loss: 0.11865834891796112, Accuracy: 95.625
Epoch 10, Loss: 0.12875251471996307, Accuracy: 95.15625
Epoch 10, Loss: 0.1189488023519516, Accuracy: 95.625
Epoch 10, Loss: 0.1456708014011383, Accuracy: 95.15625
Epoch 10, Loss: 0.12446556240320206, Accuracy: 95.3125
Epoch 10, Loss: 0.1380888819694519, Accuracy: 95.46875

Iterando dentro de um tf.function

Você também pode iterar sobre toda a entrada train_dist_dataset dentro de um tf.function usando a construção for x in ... ou criando iteradores como fizemos acima. O exemplo abaixo demonstra o envolvimento de uma época de treinamento em um tf.function e a iteração sobre train_dist_dataset dentro da função.

@tf.function
def distributed_train_epoch(dataset):
  total_loss = 0.0
  num_batches = 0
  for x in dataset:
    per_replica_losses = strategy.run(train_step, args=(x,))
    total_loss += strategy.reduce(
      tf.distribute.ReduceOp.SUM, per_replica_losses, axis=None)
    num_batches += 1
  return total_loss / tf.cast(num_batches, dtype=tf.float32)

for epoch in range(EPOCHS):
  train_loss = distributed_train_epoch(train_dist_dataset)

  template = ("Epoch {}, Loss: {}, Accuracy: {}")
  print (template.format(epoch+1, train_loss, train_accuracy.result()*100))

  train_accuracy.reset_states()

/tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/tensorflow/python/data/ops/dataset_ops.py:449: UserWarning: To make it possible to preserve tf.data options across serialization boundaries, their implementation has moved to be part of the TensorFlow graph. As a consequence, the options value is in general no longer known at graph construction time. Invoking this method in graph mode retains the legacy behavior of the original implementation, but note that the returned value might not reflect the actual value of the options.
  warnings.warn("To make it possible to preserve tf.data options across "
Epoch 1, Loss: 0.14398494362831116, Accuracy: 94.63999938964844
Epoch 2, Loss: 0.13246288895606995, Accuracy: 94.97333526611328
Epoch 3, Loss: 0.11922841519117355, Accuracy: 95.63833618164062
Epoch 4, Loss: 0.11084160208702087, Accuracy: 95.99333190917969
Epoch 5, Loss: 0.10420522093772888, Accuracy: 96.0816650390625
Epoch 6, Loss: 0.09215126931667328, Accuracy: 96.63500213623047
Epoch 7, Loss: 0.0878651961684227, Accuracy: 96.67666625976562
Epoch 8, Loss: 0.07854588329792023, Accuracy: 97.09333038330078
Epoch 9, Loss: 0.07217177003622055, Accuracy: 97.34833526611328
Epoch 10, Loss: 0.06753655523061752, Accuracy: 97.48999786376953

Rastreamento de perda de treinamento em réplicas

Não recomendamos o uso de tf.metrics.Mean para rastrear a perda de treinamento em diferentes réplicas, devido ao cálculo de escala de perda que é realizado.

Por exemplo, se você executar um trabalho de treinamento com as seguintes características:

  • Duas réplicas
  • Duas amostras são processadas em cada réplica
  • Valores de perda resultantes: [2, 3] e [4, 5] em cada réplica
  • Tamanho global do lote = 4

Com o dimensionamento de perda, você calcula o valor de perda por amostra em cada réplica adicionando os valores de perda e, em seguida, dividindo pelo tamanho global do lote. Neste caso: (2 + 3) / 4 = 1.25 e (4 + 5) / 4 = 2.25 .

Se você usar tf.metrics.Mean para rastrear a perda nas duas réplicas, o resultado será diferente. Neste exemplo, você termina com um total de 3,50 e count de 2, o que resulta em total / count = 1,75 quando result() é chamado na métrica. A perda calculada com tf.keras.Metrics é dimensionada por um fator adicional que é igual ao número de réplicas em sincronia.

Guia e exemplos

Aqui estão alguns exemplos de uso da estratégia de distribuição com loops de treinamento personalizados:

  1. Guia de treinamento distribuído
  2. Exemplo DenseNet usando MirroredStrategy .
  3. Exemplo de BERT treinado usando MirroredStrategy e TPUStrategy . Este exemplo é particularmente útil para entender como carregar de um ponto de verificação e gerar pontos de verificação periódicos durante o treinamento distribuído, etc.
  4. Exemplo de NCF treinado usando MirroredStrategy que pode ser habilitado usando o sinalizador keras_use_ctl .
  5. Exemplo de NMT treinado usando MirroredStrategy .

Mais exemplos listados no guia de estratégia de distribuição .

Próximos passos