基于Hadoop集群的大规模分布式深度学习

问题导读
1、什么是基于Hadoop的深度学习？
2、Hadoop的深度学习达到了什么目的？体现了哪些优点？



摘要：基于Hadoop的深度学习是深度学习的一个创新方法。基于Hadoop的深度学习不仅能达到专用集群的效果，还在增强Hadoop集群、分布式深度学习、性能测试和开源资源等方面具有独特的优势。

前言
在过去的十年里，Yahoo一直持续投资建设和扩展Apache Hadoop集群，到目前为止共有超过4万台服务器和600PB数据分布在19个集群上。正如在2015 Hadoop 峰会上介绍的，我们在自己的服务器上开发了可扩展的机器学习算法，用于分类、排序和计算词向量。目前，Hadoop集群已成为Yahoo大规模机器学习的首选平台。

深度学习（Deep Learning, DL）是雅虎很多产品的核心技术需求。在2015 RE.WORK深度学习峰会上，Yahoo Flickr团队（Simon Osindero和Pierre Garrigues）阐述了深度学习如何被应用于场景检测、物体识别和计算美学。机器学习帮助Flickr自动完成给用户图片打标签，使得Flickr终端用户能够方便的管理和查找图片。
为使深度学习技术惠及更多的Yahoo产品，最近我们把此项技术迁移到自己的Hadoop集群上。基于Hadoop的深度学习主要有这些优点：

• 深度学习过程可以直接在我们存储数据的Hadoop集群上完成。避免了数据在Hadoop集群和深度学习集群之间的不必要传输。
• 深度学习可以被定义为一流的Apache Oozie工作流，使用Hadoop进行数据处理和Spark管道进行机器学习。
• YARN支持深度学习。一个集群上可以同时进行多项深度学习实验。与传统方法相比，新方法事半功倍。在过去，我们有些项目组靠“记事本”手工调度GPU资源，这是很痛苦的，而且只对少数用户有效。
  

基于Hadoop的深度学习是深度学习的一个创新方法。业界现有的方法要求使用专用的集群，而基于Hadoop的深度学习不仅能达到专用集群的效果，还额外多出上述几项优点。

增强Hadoop集群
为了支持深度学习，我们在Hadoop集群上添加GPU节点。每个节点有4块Nvidia Tesla K80运算卡，每块卡配置2个GK210 GPU。这些节点的处理能力是我们Hadoop集群所使用的传统CPU的10倍。

在Hadoop集群上，GPU节点有两个独立网络接口，Ethernet和Infiniband。Ethernet作为对外通信的主要接口，Infiniband在GPU之间提供10倍以上速率的数据传输，并且支持通过RDMA直接访问GPU内存。
通过利用YARN最近推出的节点标签功能（YARN-796），我们可以在jobs中声明容器是在CPU还是GPU节点加载。GPU节点的容器能使用Infiniband以极高的速度交换数据。

分布式深度学习：Caffe-on-Spark
为了在这些强化的Hadoop集群上支持深度学习，我们基于开源软件库开发了一套完整的分布式计算工具，它们是Apache Spark和Caffe。我们可以利用下面的命令行向集群GPU节点提交深度学习计算任务。

在上述命令行中，用户可以指定使用的Spark executor个数（–num-executors），每个executor分配的GPU个数（-devices），HDFS上存放训练数据的路径，以及模型在HDFS上的存储路径。用户使用标准Caffe配置文件来确定Caffe算法和深度网络的拓扑结构（ex.solver.prototxt, net.prototxt）。

如上图所示，在YARN的Spark加载了一些executor。每个executor分配到一个基于HDFS的训练数据分区，然后开启多个基于Caffe的训练线程。每个训练线程由一个特定的GPU处理。使用反向传播算法处理完一批训练样本后，这些训练线程之间交换模型参数的梯度值。这些梯度值在多台服务器的GPU之间以MPI Allreduce 形式进行交换。我们升级了Caffe，以支持在一台服务器上使用多个GPU，并以RDMA协议来同步DL模型。
Caffe-on-Spark让我们集Caffe与Spark二者之长处，将其应用于大规模深度学习，使深度学习任务如其它Spark应用一样易于操作。集群中的多个GPU被用于训练基于HDFS大规模数据集的模型。

性能测试
Caffe-on-Spark支持（a）多个GPU，（b）多台机器进行深度学习。为了体现我们方法的优势，我们在ImageNet 2012数据集上进行性能对比测试。
首先，我们在单个Spark executor中分别使用1个、2个、4个、8个GPU对AlexNet数据集进行深度学习。如下图所示，训练时间随着GPU数量增加而缩短。当GPU数量为4个时，我们仅花费单个GPU所需时间的15/43=35%就能取得50%的准确率。所有上述执行过程的批大小均为256。使用8个GPU相比4个GPU性能并没有显著提升。因为每个GPU处理的数据量太少而无法充分地利用硬件性能。

随后，我们又在GoogLeNet数据集上进行了分布式性能对比测试，该测试比AlexNet的测试更深，且使用了更多的卷积运算，因此需要更强的计算能力。在每一轮运算中，我们给每个GPU分配的批大小为32，当有n个GPU参与运算时，32n是最有效的大小。我们的分布式算法旨在生成模型并且达到和单个GPU相当的准确率。使用4台服务器（4x8个GPU）训练，能在10小时内使top-5准确率超过80%（20%的误差）。注意1个GPU训练40小时后也只能达到60%的top-5准确率（40%的误差）。

GoogLeNet规模随着GPU数量的增加而扩大。对于60%的top-5准确率（40%的误差），8个GPU能比1个GPU提速680%。下表显示了达到70%和80% top-5准确率的速度提升幅度。如果我们仔细调整批数据大小（并不是将批大小都设为32n），速度还能提升更多。

开源资源
秉承Yahoo的开源承诺，我们向github.com/BVLC/caffe上传了一部分代码：
#2114…允许Caffe在单台计算机上使用多个GPU
#1148…支持计算机之间以RDMA协议传输数据
#2386…提升了Caffe的数据管道和预取技术
#2395…增加计时信息
#2402…更改Caffe的IO依赖为可选
#2397…重构Caffe的解法代码
在接下来几周的后续文章中，我们将分享Caffe-on-Spark的具体设计和实现细节。如果社区有足够的兴趣，我们也许会开源实现的代码。请将您的想法告知我们bigdata@yahoo-inc.com

总结
这篇文章初步描述了将Apache Hadoop生态系统和深度学习集成在同一个异构（GPU+CPU）集群的做法。早期的性能对比结果使我们倍受鼓舞，并计划在Hadoop、Spark和Caffe投入更多精力来使得深度学习在我们的集群上更加有效。我们期待和开源社区的朋友们在相关领域的并肩作战。

原文链接：Large Scale Distributed Deep Learning on Hadoop Clusters（译者/赵屹华 审校/刘帝伟、朱正贵、李子健 责编/周建丁）