如今，人工智能正進(jìn)入一個(gè)前所未有的新時(shí)代，以大模型為代表的人工智能技術(shù)，正在各行各業(yè)加速落地，各種應(yīng)用場景層出不窮。但與此同時(shí)，人工智能技術(shù)的持續(xù)進(jìn)化和深度應(yīng)用，以及大模型的遍地開花，也激發(fā)出對智能算力的強(qiáng)勁要求。
今年9月發(fā)布的《中國綜合算力指數(shù)報(bào)告(2024)》顯示，中國算力規(guī)模位居世界第二；其中，智能算力快速增長，同比增速超過65%。從2003年到2023年，智能算力需求的增長超過百億倍，構(gòu)成了算力增長的最主要驅(qū)動(dòng)力。在這一趨勢下，如何設(shè)計(jì)支持大模型訓(xùn)練的計(jì)算系統(tǒng)，如何構(gòu)建自主創(chuàng)新的軟件生態(tài)，已經(jīng)成為推動(dòng)人工智能大模型創(chuàng)新發(fā)展的“必答題”。
在日前召開的華為數(shù)字中國行2024·安徽新質(zhì)生產(chǎn)力創(chuàng)新峰會(huì)上，中國工程院院士、清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授鄭緯民在“支持人工智能大模型的系統(tǒng)軟件”的主題演講中表示，算力是大模型產(chǎn)業(yè)的主要開銷，在構(gòu)建支持大模型訓(xùn)練的計(jì)算系統(tǒng)過程中，想要持續(xù)提升自主創(chuàng)新AI生態(tài)系統(tǒng)，就需要做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相關(guān)軟件優(yōu)化。
其中，設(shè)計(jì)大模型計(jì)算系統(tǒng)需要考慮5個(gè)問題，包括多種精度運(yùn)算性能的平衡、網(wǎng)絡(luò)平衡設(shè)計(jì)、內(nèi)存平衡設(shè)計(jì)、IO子系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)、自主創(chuàng)新AI計(jì)算系統(tǒng)；而構(gòu)建自主創(chuàng)新軟件生態(tài)則需要做好10件事情，包括編程框架、并行加速、通信庫、算子庫、AI編譯器，編程語言，以及調(diào)度器、內(nèi)存分配、容錯(cuò)系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)等。
進(jìn)入大模型時(shí)代
算力成本居高不下
縱觀整個(gè)2024年的人工智能領(lǐng)域，“人工智能+”行動(dòng)持續(xù)推進(jìn)，“百模大戰(zhàn)”仍在繼續(xù)。與此同時(shí)，大模型正加速走向落地應(yīng)用，不僅在垂直領(lǐng)域持續(xù)走深，其應(yīng)用場景也逐步走向多樣化。正如鄭緯民所說，人工智能已進(jìn)入大模型時(shí)代。
同時(shí)，鄭緯民也從技術(shù)和應(yīng)用層面對大模型的發(fā)展進(jìn)行了分析：一方面，AI基礎(chǔ)大模型正在從單模態(tài)向多模態(tài)發(fā)展。比如，在文本交互方面，ChatGPT實(shí)現(xiàn)真正像人類一樣來聊天交流；在圖像創(chuàng)作方面，Midjourney AIGC畫作《太空歌劇院》獲得人類藝術(shù)比賽冠軍；在視頻生成方面，I2VGen-XL可以在用戶上傳1張圖后2分鐘生成高清視頻。
另一方面，各行各業(yè)與AI的深度融合，正在加速行業(yè)智能化升級(jí)，創(chuàng)造更大價(jià)值。比如，在金融行業(yè)，在過去一年里，華為與領(lǐng)先金融機(jī)構(gòu)深入合作，共同落地了超過100個(gè)AI智能場景，正在以大模型重塑金融的應(yīng)用、終端交互及業(yè)務(wù)模式；在制造行業(yè)，華為工業(yè)AI質(zhì)檢解決方案可全面覆蓋工業(yè)領(lǐng)域行為規(guī)范性檢測、缺陷檢測、定位、測量等場景，識(shí)別準(zhǔn)確度達(dá)到98.5%以上。
不過，大模型的快速發(fā)展和深度應(yīng)用，也給算力帶來了新需求和新挑戰(zhàn)。對此，鄭緯民從大模型生命周期的五個(gè)環(huán)節(jié)入手，即數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型訓(xùn)練、模型微調(diào)和模型推理，進(jìn)行了具體闡述。
在數(shù)據(jù)獲取階段，在獲取不同類型的原始數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)的過程中，海量小文件存儲(chǔ)對文件系統(tǒng)提出新需求；在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，在隨機(jī)讀取訓(xùn)練樣本進(jìn)行預(yù)處理大數(shù)據(jù)過程中，頻繁、隨機(jī)小樣本讀取會(huì)對文件系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)；在模型訓(xùn)練階段，大量數(shù)據(jù)經(jīng)過模型需要海量算力；在模型微調(diào)階段，精調(diào)垂域模型需要可控算力；在模型推理階段，實(shí)時(shí)處理用戶請求需要穩(wěn)定可靠算力。
鄭緯民表示，算力是大模型產(chǎn)業(yè)的主要開銷。比如，在模型訓(xùn)練成本中，算力約占70%，數(shù)據(jù)占20%，人力僅占10%；而在推理階段，算力成本更是高達(dá)95%，人工智能產(chǎn)業(yè)算力成本居高不下。
設(shè)計(jì)大模型計(jì)算系統(tǒng)
需要考慮5個(gè)問題
目前，由于國外對人工智能的限制，自主創(chuàng)新AI系統(tǒng)和基于超級(jí)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)仍需優(yōu)化，我國要構(gòu)建支持大模型訓(xùn)練的計(jì)算系統(tǒng)仍面臨不小的難題。針對這一狀況，華為已經(jīng)基于昇騰打造出面向“端、邊、云”的全場景AI基礎(chǔ)設(shè)施方案，覆蓋深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域推理和訓(xùn)練全流程，全方位支持大模型訓(xùn)練。在此基礎(chǔ)上，鄭緯民表示，要持續(xù)提升自主創(chuàng)新AI生態(tài)系統(tǒng)，需要做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相關(guān)軟件優(yōu)化。其中，設(shè)計(jì)大模型計(jì)算系統(tǒng)需要考慮以下5個(gè)問題：
第一，多種精度運(yùn)算性能的平衡。根據(jù)科學(xué)計(jì)算(AI For Science)和大模型訓(xùn)練的發(fā)展趨勢，變精度平衡設(shè)計(jì)可以更好地適應(yīng)科學(xué)計(jì)算和更廣泛的AI算法和應(yīng)用需求；不過，在設(shè)計(jì)中不僅要考慮半精度運(yùn)算性能，還要考慮雙精度運(yùn)算能力，雙精度與半精度運(yùn)算性能之比為1：50~1：100比較合適。
第二，網(wǎng)絡(luò)平衡設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不能針對CNN算法，還需考慮極大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型對系統(tǒng)的需求；而大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型需要高帶寬低延遲網(wǎng)絡(luò)，并支持?jǐn)?shù)據(jù)并行、模型并行和專家并行模式。
第三，內(nèi)存平衡設(shè)計(jì)。一方面，訪問內(nèi)存的請求使網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低吞吐量，反映到應(yīng)用程序上表現(xiàn)為訪存性能顯著下降，負(fù)載不均；另一方面，多個(gè)訪問內(nèi)存的請求可能訪問同一存控對應(yīng)的內(nèi)存空間，負(fù)載不均，存控需要順序處理訪存請求。
第四，IO子系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)。過去，在高性能機(jī)器應(yīng)用時(shí)，為了避免訓(xùn)練不被中斷，通常采用增加檢查點(diǎn)的方法。比如，如果預(yù)期系統(tǒng)平均三小時(shí)出現(xiàn)一次錯(cuò)誤，那么就在2.5小時(shí)左右主動(dòng)停止訓(xùn)練，并保存訓(xùn)練結(jié)果。此外，還有一種辦法就是增加SSD，系統(tǒng)的本地NVMe SSD僅通過本地文件系統(tǒng)訪問限制了其應(yīng)用范圍，可將每臺(tái)服務(wù)器上的本地NVMe整合成應(yīng)用可見的全局分布式文件系統(tǒng)。
第五，如果采用自主創(chuàng)新AI計(jì)算系統(tǒng)，還需要做好10件事：包括編程框架、并行加速、通信庫、算子庫、AI 編譯器、編程語言；以及其它支撐軟件，如調(diào)度器、內(nèi)存分配、容錯(cuò)系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)等。
自主創(chuàng)新軟件生態(tài)
需要做好的10件事
在大模型計(jì)算系統(tǒng)中，算力性能的發(fā)揮不僅取決于硬件，更依賴于配套的軟件生態(tài)。軟件生態(tài)包括操作系統(tǒng)、編程框架、庫、工具鏈等，它們共同構(gòu)成了AI算力的“軟實(shí)力”。以華為為例，通過推出異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)CANN、全場景AI框架昇思MindSpore、昇騰應(yīng)用使能MindX和一站式開發(fā)平臺(tái)ModelArts等，華為不僅構(gòu)建起日趨完善的昇騰計(jì)算軟件體系，也在昇騰計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)上取得了全面進(jìn)展。
在此基礎(chǔ)上，鄭緯民表示，要改善自主創(chuàng)新軟件生態(tài)，需要做好以下10件事情。
第一是編程框架，應(yīng)降低編寫人工智能模型的復(fù)雜度，利用基本算子快速構(gòu)建人工智能模型，如PyTorch、昇思MindSpore、TensorFlow。其中，全場景AI框架昇思MindSpore全場景AI框架昇思MindSpore具備一次開發(fā)云邊端全場景部署、原生支持大模型訓(xùn)練、支持AI+科學(xué)計(jì)算等關(guān)鍵特性，可加速科研創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
第二是并行加速，為多機(jī)多卡環(huán)境提供人工智能模型并行訓(xùn)練的能力，支持?jǐn)?shù)據(jù)并行、模型并行、流水線并行、張量并行等，如微軟的DeepSpeed、昇騰MindSpeed、英偉達(dá)Megatron-LM。其中，昇騰MindSpeed是專為昇騰設(shè)備設(shè)計(jì)的大模型加速庫，旨在突破大模型訓(xùn)練中的顯存資源瓶頸，并加速訓(xùn)練過程。
第三是通信庫，要提供跨機(jī)跨卡的通信能力，能夠支持人工智能模型訓(xùn)練所需各種通信模式，能根據(jù)底層網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)充分利用網(wǎng)絡(luò)通信帶寬，如英偉達(dá)的NCCL庫、昇騰HCCL庫、超算普遍支持的MPI通信庫。其中，昇騰HCCL庫作為基于昇騰計(jì)算的高性能集合通信庫，可提供單機(jī)多卡以及多機(jī)多卡間的集合通信能力，支持大模型的數(shù)據(jù)并行、模型并行、專家并行、pipeline并行、序列并行等多種加速方案。
第四是算子庫，要提供人工智能模型所需基本操作的高性能實(shí)現(xiàn)，能夠盡可能覆蓋典型人工智能模型所需的操作，能充分發(fā)揮底層硬件的性能，如英偉達(dá)cuDNN、cnBLAS、昇騰ACLNN。
第五是AI編譯器，可在異構(gòu)處理器上對人工智能程序生成高效的目標(biāo)代碼；對算子庫不能提供的操作，通過AI編譯器自動(dòng)生成高效目標(biāo)代碼，如XLA、TVM、畢昇編譯器。其中，畢昇編譯器作為華為提供的一款高性能、高可信及易擴(kuò)展的編譯器工具鏈，可提供深度優(yōu)化的編譯技術(shù)、增強(qiáng)多核并行化、自動(dòng)矢量化等，大幅提升指令和數(shù)據(jù)呑吐量。
第六是編程語言，要提供異構(gòu)處理器上編寫并行程序的支持；要覆蓋底層硬件功能，發(fā)揮硬件性能；能夠編寫人工智能模型的基本算子（Operator），如英偉達(dá)的CUDA、華為的CANN Ascend C、Intel的oneAPI。其中，異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)CANN可向上支持多種AI框架，向下服務(wù)AI處理器與編程；并針對多樣化應(yīng)用場景，提供多層次編程接口，支持用戶快速構(gòu)建基于昇騰平臺(tái)的AI應(yīng)用和業(yè)務(wù)。而Ascend C算子開發(fā)語言是CANN針對算子開發(fā)場景推出的編程語言，原生支持C/C++編程規(guī)范，可極大提高算子開發(fā)效率，助力AI開發(fā)者低成本完成算子開發(fā)和模型調(diào)優(yōu)部署。
第七是調(diào)度器，需提供在大規(guī)模系統(tǒng)上高效調(diào)度人工智能任務(wù)的能力；同時(shí)設(shè)計(jì)高效調(diào)度算法，提高集群資源利用率，如Kubernetes（K8S）、華為ModelArts等。其中，ModelArts是華為云提供的一站式AI開發(fā)平臺(tái)，可提供海量數(shù)據(jù)預(yù)處理及半自動(dòng)化標(biāo)注、大規(guī)模分布式訓(xùn)練、自動(dòng)化模型生成及端-邊-云模型按需部署能力，幫助用戶快速創(chuàng)建和部署模型，管理全周期AI工作流。
第八是內(nèi)存分配系統(tǒng)，可針對人工智能應(yīng)用特點(diǎn)提供高效的內(nèi)存分配策略。
第九是容錯(cuò)系統(tǒng)，用來提供在硬件發(fā)生故障后快速恢復(fù)模型訓(xùn)練的能力。
第十是存儲(chǔ)系統(tǒng)，需支持訓(xùn)練過程中高效的數(shù)據(jù)讀寫（檢查點(diǎn)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)等）。
不過，自主創(chuàng)新軟件生態(tài)的建設(shè)是一個(gè)長期而復(fù)雜的過程，需要企業(yè)、政府和開發(fā)者社區(qū)的共同努力。如今，在生態(tài)建設(shè)上，華為已經(jīng)取得了長足進(jìn)展，不僅包括整機(jī)硬件伙伴、IHV硬件伙伴、應(yīng)用軟件伙伴、一體機(jī)解決方案伙伴以及生態(tài)運(yùn)營伙伴等，還包括服務(wù)類伙伴、人才聯(lián)盟伙伴、投融資運(yùn)營伙伴等，以及眾多高校和開發(fā)者。由此，華為也將攜手生態(tài)伙伴共同推動(dòng)大模型計(jì)算系統(tǒng)的建設(shè)，進(jìn)而加速AI技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用未來，正如鄭緯民所說：“大模型計(jì)算系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)的5點(diǎn)考慮做得好，別人要用1萬塊卡，我們用9000卡就可以了。把10件事情做好，大模型計(jì)算系統(tǒng)就能做得很好�！�
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