深度剖析：针对深度学习的GPU共享
极市导读
GPU共享，是指在同一张GPU卡上同时运行多个任务。本文详细论述了深度学习GPU的资源隔离与并行模式，并提出了对于深度学习与GPU的展望。 >>加入极市CV技术交流群，走在计算机视觉的最前沿
A survey of GPU sharing for DL
当前机器学习训练中，使用GPU提供算力已经非常普遍，对于GPU-based AI system的研究也如火如荼。在这些研究中，以提高资源利用率为主要目标的GPU共享(GPU sharing)是当下研究的热点之一。GPU共享涉及到的技术面较广，包括GPU架构（计算，存储等），Cuda，IO（内存，显存），机器学习框架（Tf，Pytorch），集群&调度，ML/DL算法特性，通信（单机内和多机间），逆向工程等等，是一个自上而下的工作。本篇文章希望能提供一个对GPU共享工作的分享，希望能和相关领域的研究者们共同讨论。限于笔者能力有限，可能会出现一些错漏，希望能多多指正，感谢。
GPU共享，是指在同一张GPU卡上同时运行多个任务。优势在于：（1）集群中可以运行更多任务，减少抢占。（2）资源利用率（GPU/显存/e.t.c.）提高；GPU共享后，总利用率接近运行任务利用率之和，减少了资源浪费。（3）可以增强公平性，因为多个任务可以同时开始享受资源；也可以单独保证某一个任务的QoS。（4）减少任务排队时间。（5）总任务结束时间下降；假设两个任务结束时间分别是x,y，通过GPU共享，两个任务全部结束的时间小于x+y。
想要实现GPU共享，需要完成的主要工作有：（1）资源隔离，是指共享组件有能力限制任务占据算力（线程/SM）及显存的比例，更进一步地，可以限制总线带宽。（2）并行模式，主要指时间片模式和MPS模式。
资源隔离
资源隔离是指共享组件有能力限制任务占据算力/显存的比例。限制的方法就是劫持调用。图一是在Nvidia GPU上，机器学习自上而下的视图。由于Cuda和Driver不开源，因此资源隔离层一般处在用户态。在内核态做隔离的困难较大，但也有一些工作。顺带一提，Intel的Driver是开源的，在driver层的共享和热迁移方面有一些上海交大和Intel合作的工作。
图一/使用Nvidia GPU机器学习自上而下视图
来自腾讯的Gaia(ISPA'18)[1]共享层在Cuda driver API之上，它通过劫持对Cuda driver API的调用来做到资源隔离。劫持的调用如图二所示。
具体实现方式也较为直接，在调用相应API时检查：
（1）对于显存，一旦该任务申请显存后占用的显存大小大于config中的设置，就报错。
（2）对于计算资源，存在硬隔离和软隔离两种方式，共同点是当任务使用的GPU SM利用率超出资源上限，则暂缓下发API调用。不同点是如果有资源空闲，软隔离允许任务超过设置，动态计算资源上限。而硬隔离则不允许超出设置量。该项目代码开源在[2]。实测即使只跑一个任务也会有较大JCT影响，可能是因为对资源的限制及守护程序的资源占用问题。KubeShare（HPDC '20）[3]的在资源隔离方面也是类似的方案。
图二/ Gaia限制的CUDA driver API发了44篇论文（截止2020年3月）的rCuda[4]和Gaia有相似之处，他们都是在Cuda driver API之上，通过劫持调用来做资源隔离。不同的是，rCuda除了资源隔离，最主要的目标是支持池化。池化简单来讲就是使用远程访问的形式使用GPU资源，任务使用本机的CPU和另一台机器的GPU，两者通过网络进行通信。也是因为这个原因，共享模块需要将CPU和GPU的调用分开。然而正常情况下混合编译的程序会插入一些没有开源的Cuda API，因此需要使用作者提供的cuda，分别编译程序的CPU和GPU部分。图三显示了rCuda的架构。如果使用该产品，用户需要重新编译，对用户有一定的影响。该项目代码不开源。另外vCUDA（TC '12）[5]和qCUDA(CloudCom '19)[18]也采用了和rCuda相似的技术。
图三/rCuda架构
GPUShare（IPDPSW' 16）[6]也是劫持的方式，但不同的是,它采用预测执行时间的方式来实现计算资源的公平性。作者认为比切换周期还小的短kernel不会影响公平使用，因此只限制了较大的kernel。
来自阿里的cGPU[7]，其共享模块在Nvidia driver层之上，也就是内核态。由于是在公有云使用，相对于用户态的共享会更加安全。它也是通过劫持对driver的调用完成资源隔离的，通过设置任务占用时间片长度来分配任务占用算力，但不清楚使用何种方式精准地控制上下文切换的时间。值得一提的是，由于Nvidia driver是不开源的，因此需要一些逆向工程才可以获得driver的相关method的name和ioctl参数的结构。该方案在使用上对用户可以做到无感知，当然JCT是有影响的。代码没有开源，也没有论文。图四是cGPU的架构图。
图四/cgpu架构图
来自Nvidia的vGPU[8]其共享模块在Nvidia driver里面。vGPU通过vfio-mdev提供了一个隔离性非常高的的硬件环境，主要面向的是虚拟机产品，无法动态调整资源比例。来自Nvidia的产品当然没有开源。图五是vGPU的架构图。
图五/vGPU架构图
Fractional GPU（RTAS' 19）[9]是一篇基于MPS的资源隔离方案。其共享模块在Nvidia driver里面。该方案的隔离非常硬，核心就是绑定。在计算隔离方面，它通过给任务绑定一定比例的可使用SM，就可以天然地实现计算隔离。MPS的计算隔离是通过限制任务的thread数，相较于Fractional GPU会限制地更加不准确。在显存隔离方面，作者深入地研究Nvidia GPU内存架构（包括一些逆向工程）图六是Fractional GPU通过逆向得到的Nvidia GPU GTX 970的存储体系架构。通过页面着色（Page Coloring）来完成显存隔离。页面着色的思想也是将特定的物理页分配给GPU SM分区，以限制分区间互相抢占的问题。该隔离方案整体上来说有一定损耗，而且只能使用规定好的资源比例，不能够灵活地检测和使用全部空闲资源。另外使用该方案需要修改用户代码。代码开源在[10]。
图六/Fractional GPU通过逆向得到的Nvidia GPU GTX 970的存储体系架构
Mig（ MULTI-INSTANCE GPU）[21]是今年A100机器支持的资源隔离方案，Nvidia在最底层硬件上对资源进行了隔离，可以完全地做到计算/通信/配置/错误的隔离。它将SM和显存均匀地分给GPU instance，最多支持将SM分7份（一份14个），显存分8份（1份5GB）。顺带一提A100有SM108个，剩下的10个将无法用上。它可选的配置也是有限制的，如图七所示。
图七/Mig GPU Instance配置并行模式
并行模式指任务是以何种方式在同一个GPU上运行的。目前有两种方式：（1）分时复用。指划分时间片，让不同的任务占据一个独立的时间片，需要进行上下文切换。在这种模式下，任务实际上是并发的，而不是并行的，因为同一时间只有一个任务在跑。（2）合并共享。指将多个任务合并成一个上下文，因此可以同时跑多个任务，是真正意义上的并行。在生产环境中，更多使用分时复用的方式。
分时复用
分时复用的模式大家都较为熟悉，CPU程序的时间片共享已经非常常见和易用，但在GPU领域还有一些工作要做。
如果在Nvidia GPU上直接启动两个任务，使用的就是时间片共享的方式。但该模式存在多任务干扰问题：即使两个机器学习任务的GPU利用率和显存利用率之和远小于1，单个任务的JCT也会高出很多。究其原因，是因为计算碰撞，通信碰撞，以及GPU的上下文切换较慢。计算碰撞很好理解，如果切换给另一个任务的时候，本任务正好在做CPU计算/IO/通信，而需要GPU计算时，时间片就切回给本任务，那么就不会有JCT的影响。但两个任务往往同时需要使用GPU资源。通信碰撞，是指任务同时需要使用显存带宽，在主机内存和设备显存之间传输数据。GPU上下文切换慢，是相对CPU而言的。CPU上下文切换的速度是微秒级别，而GPU的切换在毫秒级别。在此处也会有一定的损耗。图八是分时复用模式的常见架构。
图八/分时复用架构图上文提到的Gaia，KubeShare，rCuda，vCuda，qCuda，cGPU，vGPU均为分时复用的模式。由于上文所述的问题，他们的单个任务完成时间（JCT）都会受到较大的影响。V100测试环境下，两个任务同时运行，其JCT是单个任务运行时的1.4倍以上。因此在生产环境下，我们需要考虑如何减少任务之间互相影响的问题。上述方案都没有考虑机器学习的特性，只要共享层接收到kernel下发，检查没有超过设置上限，就会继续向下传递。另外也限制任务显存的使用不能超过设置上限，不具备弹性。因此针对特定的生产场景，有一些工作结合机器学习任务的特性，进行了资源的限制及优化。
服务质量（QoS）保障
在生产环境的GPU集群中常会有两类任务，代称为高优先级任务和低优先级任务。高优任务是时间敏感的，在它需要资源时需要立刻提供给它。而低优任务是时间不敏感的，当集群有资源没被使用时，就可以安排它填充资源缝隙以提高集群利用率。因此共享模块需要优先保障高优先级任务的JCT不受影响，以限制低优任务资源占用的方式。
Baymax（ASPLOS '16）[11]通过任务重排序保障了高优任务的QoS。Baymax作者认为多任务之间的性能干扰通常是由排队延迟和PCI-e带宽争用引起的。也就是说，当高优任务需要计算或IO通信时，如果有低优的任务排在它前面，高优任务就需要等待，因此QoS无法保障。针对这两点Baymax分别做了一些限制：（1）在排队延迟方面，Baymax利用KNN/LR模型来预测持续时间。然后Baymax对发给GPU的请求进行重新排序。简单来说，就是共享模块预测了每个请求的执行时间，当它认为发下去的请求GPU还没执行完时，新下发的请求就先进入队列里。同时将位于队列中的任务重排序，当需要下发请求时，先下发队列中的高优任务请求。（2）在PCI-e带宽争用方面，Baymax限制了并发数据传输任务的数量。Baymax作者在第二年发表了Prophet（ASPLOS '17）[12]，用于预测多任务共置时QoS的影响程度。在论文最后提到的实验中，表示如果预测到多个任务不会影响QoS，就将其共置，但此处共置使用的是MPS，也就是没有使用分时复用的模式了。在该研究中，预测是核心。预测准确性是否能适应复杂的生产环境，预测的机器负载是否较大，还暂不清楚。
来自阿里的AntMan（OSDI '20）[13]也认为排队延迟和带宽争用是干扰的原因，不同的是，它从DL模型的特点切入，来区分切换的时机。
在算力限制方面，AntMan通过限制低优任务的kernel launch保证了高优任务的QoS。图九是AntMan算力共享机制的对比。AntMan算力调度最小单元，在论文中描述似乎有些模糊，应该是Op（Operator），AntMan“会持续分析GPU运算符的执行时间“，并在空隙时插入另一个任务的Op。但如何持续分析，论文中并没有详细描述。在显存隔离方面，AntMan没有限制显存的大小，而是尽力让两个任务都能运行在机器上。但两个或多个任务的显存申请量可能会造成显存溢出，因此AntMan做了很多显存方面的工作。首先需要了解任务在显存中保存的内容：首先是模型，该数据是大小稳定的，当它在显存中时，iteration才可以开始计算。论文中表示90%的任务模型使用500mb以内的显存。其次是iteration开始时申请的临时显存，这部分显存理论上来说，在iteration结束后就会释放。但使用的机器学习框架有缓存机制，申请的显存不会退回，该特性保障了速度，但牺牲了共享的可能性。因此AntMan做了一些显存方面最核心的机制是，当显存放不下时，就转到内存上。在此处论文还做了很多工作，不再尽述。
论文描述称AntMan可以规避总线带宽争用问题，但似乎从机制上来说无法避免。除此之外，按照Op为粒度进行算力隔离是否会需要大量调度负载也是一个疑问，另外Op执行时间的差异性较大，尤其是开启XLA之后，这也可能带来一些不确定性。该方案需要修改机器学习框架（Tensorflow和Pytorch），对用户有一定的影响。代码开源在[20]，目前还是WIP项目（截止2020/11/18），核心部分（local-coordinator）还没能开源。
图九/AntMan算力共享机制的对比如果最小调度单元是iteration，则会更加简单。首先需要了解一下DL训练的特征：训练时的最小迭代是一个iteration，分为四个过程：IO，进行数据读取存储以及一些临时变量的申请等；前向，在此过程中会有密集的GPU kernel。NLP任务在此处也会有CPU负载。后向，计算梯度更新，需要下发GPU kernel；更新，如果非一机一卡的任务，会有通信的过程。之后更新合并后的梯度，需要一小段GPU时间。可以看出前向后向和通信之后的更新过程，是需要使用GPU的，通信和IO不需要。因此可以在此处插入一些来自其他任务的kernel，同时还可以保证被插入任务的QoS。更简单的方式是，通过在iteration前后插入另一个任务的iteration来完成共享。当然这样就无法考虑通信的空隙，可以被理解是一种tradeoff。另外也因为iteration是最小调度单元，避免了计算资源和显存带宽争用问题。另外，如果不考虑高优任务，实现一个退化版本，贪心地放置iteration而不加以限制。可以更简单地提高集群利用率，也可以让任务的JCT/排队时间减小。
针对推理的上下文切换
在上文中描述了分时复用的三个问题，其中上下文切换是一个耗时点。来自字节跳动的PipeSwitch（OSDI '20）[14]针对推理场景的上下文切换进行了优化。具体生产场景是这样的：训练推理任务共享一张卡，大多数时候训练使用资源。当推理请求下发，上下文需要立刻切换到推理任务。如果模型数据已经在显存中，切换会很快，但生产环境中模型一般较大，训练和推理的模型不能同时加载到显存中，当切换到推理时，需要先传输整个模型，因此速度较慢。
在该场景下，GPU上下文切换的开销有：（1）任务清理，指释放显存。（2）任务初始化，指启动进程，初始化Cuda context等。（3）Malloc。（4）模型传输，从内存传到显存。
在模型传输方面，PipeSwitch作者观察到，和训练不同的是推理只有前向过程，因此只需要知道上一层的输出及本层的参数就可以开始计算本层。目前的加载方式是，将模型数据全部加载到显存后，才会开始进行计算，但实际上如果对IO和计算做pipeline，只加载一层就开始计算该层，就会加快整体速度。当然直接使用层为最小粒度可能会带来较大开销，因此进行了grouping合并操作。图十显示了pipeline的对比。在任务清理和初始化方面，设置了一些常驻进程来避免开销。最后在Malloc方面也使用了统一的内存管理来降低开销。可以说做的非常全面。由于需要获知层级结构，因此需要对Pytorch框架进行修改，对用户有一定影响。代码开源在[19].
图十/PipeSwitch pipeline的对比
合并共享
合并共享是指，多个任务合并成一个上下文，因此可以共享GPU资源，同时发送kernel到GPU上，也共同使用显存。最具有代表性的是Nvidia的MPS[15]。该模式的好处是显而易见的，当任务使用的资源可以同时被满足时，其JCT就基本没有影响，性能可以说是最好的。可以充分利用GPU资源。但坏处也是致命的：错误会互相影响，如果一个任务错误退出（包括被kill），如果该任务正在执行kernel，那么和该任务共同share IPC和UVM的任务也会一同出错退出。目前还没有工作能够解决这一问题，Nvidia官方也推荐使用MPS的任务需要能够接受错误影响，比如MPI程序。因此无法在生产场景上大规模使用。另外，有报告称其不能支持所有DL框架的所有版本。
在资源隔离方面，MPS没有显存隔离，可以通过限制同时下发的thread数粗略地限制计算资源。它位于Nvidia Driver之上。图十一是MPS的架构图。
图十一/MPS架构图Salus（MLSys '20）[16]也采取了合并共享的方式，作者通过Adaptor将GPU请求合并到同一个context下，去掉了上下文切换。当然，和MPS一样会发生错误传播，论文中也没有要解决这一问题，因此无法在生产环境中使用。但笔者认为这篇论文中更大的价值在显存和调度方面，它的很多见解在AntMan和PipeSwitch中也有体现。调度方面，以iteration为最小粒度，并且诠释了原因：使用kernel为粒度，可以进一步利用资源，但会增加调度服务的开销。因此折中选择了iteration，可以实现性能最大化。显存方面，一些观察和AntMan是一致的：显存变化具有周期性；永久性显存（模型）较小，只要模型在显存中就可以开始计算；临时性显存在iteration结束后就应该释放。也描述了机器学习框架缓存机制的死锁问题。不过Salus实现上需要两个任务所需的显存都放到GPU显存里，没有置换的操作。论文中也提到了推理场景下的切换问题：切换后理论上模型传输时间比推理延迟本身长几倍。除此之外论文中也有一些其他的观察点，值得一看。图十二展示了Salus架构。该项目代码开源在[17]。Salus也需要修改DL框架。作者也开源了修改后的tensorflow代码。
图十二/Salus架构图
如果在合并共享模块之上做分时复用，应可以绕过硬件的限制，精准地控制时间片和切换的时机，也可以去除上下文切换的开销。但在这种情况下是否还会有错误影响，还需要进一步验证。
场景展望
目前GPU共享已经逐渐开始进入工业落地的阶段了，若需要更好地满足用户对使用场景的期待，除了更高的性能，笔者认为以下几点也需要注意。
能够提供稳定的服务，运维便捷。比如MPS的错误影响是不能被接受的，另外对于带有预测的实现，也需要更高的稳定性。共享工作负载尽量降低。 更低的JCT时延，最好具有保障部分任务QoS的能力。对于一个已有的GPU集群进行改造时，需要尽量减少对已有的用户和任务的影响。 不打扰用户，尽量不对用户的代码和框架等做修改，另外也需要考虑框架和其他库的更新问题。
Reference
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