PAI-Rapidformer提供了丰富的模型训练加速方法，您只需要安装Rapidformer专属镜像，即可通过黑盒或者白盒化的方式对模型训练进行优化。本文为您介绍如何使用Rapidformer优化PyTorch版的Transformer模型训练。
前提条件
已安装Rapidformer镜像，详情请参见安装Pai-Megatron-Patch镜像。
已学习了解Rapidformer训练参数配置，详情请参见参数配置指导。
已学习了解Rapidformer的API接口使用，详情参见Rapidformer API。
背景信息
Rapidformer可通过黑盒或者白盒化的方式对模型训练进行加速：
黑盒化加速
利用Rapidformer提供的CLI，可以在不接触代码的情况下通过简单的配置就能实现对模型训练的加速能力，使用黑盒化加速的前提是需要对数据和模型进行注册。应用实践示例如下：
白盒化加速
利用Rapidformer提供的CLI，用户可以在不接触代码的情况下对任务进行加速。除此之外，Rapidformer还为特定用户提供了基于模版的代码自定义模式，用户可以高度灵活地在代码模版中进行数据或者模型的自定义，然后通过
--user-script参数传给Rapidformer的CLI来进行加速。应用实践示例如下：借助Data/Model Hub的白盒化加速示例
不借助Data/Model Hub全自定义加速（更加灵活）
黑盒化加速：加速微调Huggingface模型
将您的数据集注册进HuggingFace，或查找使用已有的数据集，后续通过
--dataset-name开关传递给Rapidformer。操作详情请参见注册Huggingface数据集、查询Huggingface已有数据集列表。
将您的模型注册进HuggingFace，或使用已有的模型，后续通过
--pretrained-model-name-or-path开关传递给Rapidformer。操作详情请参见注册Huggingface模型、查询Huggingface已有模型列表。
配置Rapidformer的启动训练CLI，示例如下。
#!/bin/bash export CUDA_VISIBLE_DEVICES=4,5,6,7 export MASTER_ADDR=localhost export MASTER_PORT=6010 export NNODES=1 export NODE_RANK=0 rapidformer --task sequence_classification \ #任务名 --pretrained-model-name-or-path 'bert-base-cased' \ #已注册模型名 --data-path glue \ #已注册的数据路径名 --data-name mrpc \ #已注册的数据文件名 --epochs 3 \ #训练迭代轮次 --micro-batch-size 16 \ #每个gpu上的batch size --global-batch-size 64 \ #分布式训练总的batch size --lr 2e-5 \ #学习率 --lr-decay-style linear \ #学习率衰减策略 --lr-warmup-iters 100 \ #学习率warmup步数 --weight-decay 1e-2 \ #lr系数 --clip-grad 1.0 \ #梯度clip系数 --seed 42 \ #随机种子 --mixed-precision \ #开启混合精度训练 --onnx-runtime-training \ #开启计算图优化 --zero-1-memory-optimization \ #开启优化器状态切分优化各参数的详细介绍请参见参数配置指导。
黑盒化加速：加速预训练Huggingface模型
制作mmap类型的预训练数据集。
操作详情请参见Megatron数据处理脚本，mmap数据集制作脚本请参考如下命令示例。
python preprocess_data.py \ --input book_wiki_owtv2_small.json \ --output-prefix gpt_small \ --vocab gpt2-vocab.json \ --dataset-impl mmap \ --tokenizer-type GPT2BPETokenizer \ --merge-file gpt2-merges.txt \ --append-eod将您的模型注册进HuggingFace，或使用已有的模型，后续通过
--pretrained-model-name-or-path开关传递给Rapidformer。操作详情请参见注册Huggingface模型、查询Huggingface已有模型列表。
配置Rapidformer的启动训练CLI，示例如下。
#!/bin/bash export CUDA_VISIBLE_DEVICES=4,5,6,7 export MASTER_ADDR=localhost export MASTER_PORT=6010 export NNODES=1 export NODE_RANK=0 rapidformer --task pretraining \ --pretrained-model-name-or-path 'bert-base-uncased' \ --num-layers 12 \ --hidden-size 768 \ --num-attention-heads 12 \ --micro-batch-size 16 \ --global-batch-size 128 \ #开启梯度累积 --seq-length 512 \ --tokenizer-type BertWordPieceLowerCase \ --max-position-embeddings 512 \ --train-iters 100 \ --data-path book_wiki_owtv2_small_text_sentence \ --vocab-file bert-en-uncased-vocab.txt \ --data-impl mmap \ --split 980,20 \ --lr 1e-3 \ --lr-decay-style linear \ --min-lr 0.0 \ --lr-decay-iters 2000 \ --weight-decay 1e-2 \ --clip-grad 1.0 \ --lr-warmup-fraction .01 \ --mixed-precision \ #开启混合精度训练 --onnx-runtime-training \ #开启计算图优化 --fsdp-memory-optimization \ #开启模型状态切分优化各参数的详细介绍请参见参数配置指导。
白盒化加速：基于Finetuner代码模版的Huggingface模型微调
下面介绍利用Rapidformer提供的Finetuner代码模版快速构建Huggingface微调任务。在代码模版中有四个函数需要关注：
制作数据的
train_valid_test_datasets_provider构造模型、优化器、学习率调节器的
model_optimizer_lr_scheduler_provider前向运算逻辑的
run_forward_step进行边train边eval计算精度的
run_compute_metrics
这四个函数详细介绍请参见Rapidformer API，以下对这四个函数的输入输出做简要的介绍。
class MyFintuner(Finetuner):
def __init__(self, engine):
super().__init__(engine=engine)
# 获取训练/验证/测试数据集
# 输入：无
# 输出：三个对象以及一个对象函数
def train_valid_test_datasets_provider(self):
return train_dataset, valid_dataset, test_dataset, collate_f
# 创建模型/优化器/学习率规划器
# 输入：无
# 输出：三个对象
def model_optimizer_lr_scheduler_provider(self):
return model, optimizer, lr_scheduer
#编写前向逻辑
# 输入：batch 或者 iterator，model
# 输出：loss
def run_forward_step(self, batch_or_iterator, model):
return loss
#编写验证集评估逻辑, 微调专用
# 输入：model，验证集数据加载器
# 输出：metric对象
def run_compute_metrics(self, model, eval_dataloader):
return metric
熟悉以上自定义的代码模版后，请先参考黑盒化加速：加速微调Huggingface模型示例，准备好数据集和模型，再进行以下步骤。
导入Rapidformer以及Huggingface的接口。
from transformers/easytexmier import AutoConfig，BertForSequenceClassification from datasets import load_dataset, load_metric from rapidformer import RapidformerEngine from rapidformer import get_args from rapidformer import get_logger from rapidformer import get_timers from rapidformer import Finetuner from rapidformer import Pretrainer from rapidformer import build_train_valid_test_datasets_for_huggingface完善代码模版中的四个函数，如下所示。
class MyFintuner(Finetuner): def __init__(self,engine): super().__init__(engine=engine) def train_valid_test_datasets_provider(self): tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("bert-base-cased") def tokenize_function(examples): # max_length=None => use the model max length (it's actually the default) outputs = tokenizer(examples["sentence1"], examples["sentence2"], truncation=True, max_length=None) return outputs datasets = load_dataset(args.dataset_path, args.dataset_name) # Apply the method we just defined to all the examples in all the splits of the dataset tokenized_datasets = datasets.map( tokenize_function, batched=True, remove_columns=["idx", "sentence1", "sentence2"], ) tokenized_datasets.rename_column_("label", "labels") train_dataset = tokenized_datasets["train"] valid_dataset = tokenized_datasets['validation'] test_dataset = tokenized_datasets['test'] def collate_fn(examples): return tokenizer.pad(examples, padding="longest", return_tensors="pt") return train_dataset, valid_dataset, test_dataset, collate_fn def model_optimizer_lr_scheduler_provider(self): args = get_args() model = BertForSequenceClassification.from_pretrained(args.load) return model, None, None def run_forward_step(self, batch, model): output_tensor = model(**batch) return output_tensor.loss # after each epoch run metric on eval dataset def run_compute_metrics(self, model, eval_dataloader): model = model[0] metric = load_metric(args.dataset_path, args.dataset_name) for step, batch in enumerate(eval_dataloader): with torch.no_grad(): outputs = model(**batch) predictions = outputs.logits.argmax(dim=-1) metric.add_batch( predictions=self.gather(predictions), references=self.gather(batch["labels"]), ) eval_metric = metric.compute() return eval_metric初始化Rapidformer引擎，创建trainer对象，调用
finetune()方法，然后保存成文件并命名为rapidformer_finetune_huggingface_bert_trainer.py。engine = RapidformerEngine() trainer = MyFintuner(engine=engine) trainer.train()基于CLI准备启动脚本，设置
--user-script为rapidformer_finetune_huggingface_bert_trainer.py，并设置加速开关。#!/bin/bash export CUDA_VISIBLE_DEVICES=4,5,6,7 export MASTER_ADDR=localhost export MASTER_PORT=6010 export NNODES=1 export NODE_RANK=0 rapidformer --user-script rapidformer_finetune_huggingface_bert_trainer.py --task sequence_classification \ --pretrained-model-name-or-path 'bert-base-cased' \ --data-path glue \ --data-name mrpc \ --epochs 3 \ --micro-batch-size 16 \ --global-batch-size 16 \ --lr 2e-5 \ --lr-decay-style linear \ --lr-warmup-iters 100 \ --weight-decay 1e-2 \ --clip-grad 1.0 \ --mixed-precision #开启混合精度训练 --zero-3-memory-optimization \ #开启模型状态切分 --onnx-runtime-training \ #开启计算图优化
白盒化加速：基于Pretrainer代码模版的Huggingface模型预训练
利用Rapidformer提供的Pretrainer代码模版快速构建Huggingface模型预训练任务时，在代码模版中有以下几个函数需要关注：
制作数据的
train_valid_test_datasets_provider构造模型、优化器、学习率调节器的
model_optimizer_lr_scheduler_provider前向运算逻辑的
run_forward_step
这几个函数详细介绍请参见Rapidformer API，输入输出的简要介绍请参见白盒化加速：基于Finetuner代码模版的Huggingface模型微调。
熟悉以上自定义的代码模版后，请先参考黑盒化加速：加速微调Huggingface模型示例，准备好数据集和模型，再进行以下步骤。
导入Rapidformer以及Huggingface的接口。
说明由于预训练利用iterator读取数据，这里需要导入mpu来做数据并行。
from megatron import mpu from transformers import BertConfig, BertForPreTraining from rapidformer import RapidformerEngine, get_args, PreTrainer from rapidformer import build_train_valid_test_datasets_for_huggingface继承Pretrainer，完善预训练的代码，如下所示。
class MyBertPreTrainer(PreTrainer): def __init__(self,engine): super().__init__(engine=engine) def train_valid_test_datasets_provider(self, train_val_test_num_samples): args = get_args() train_ds, valid_ds, test_ds = build_train_valid_test_datasets_for_huggingface( data_prefix=args.data_path, data_impl=args.data_impl, splits_string=args.split, train_valid_test_num_samples=train_val_test_num_samples, max_seq_length=args.seq_length, masked_lm_prob=args.mask_prob, short_seq_prob=args.short_seq_prob, seed=args.seed, skip_warmup=(not args.mmap_warmup), binary_head=True) return train_ds, valid_ds, test_ds def model_optimizer_lr_scheduler_provider(self): args = get_args() model = AutoModelForPreTraining.from_pretrained(args.pretrained_model_name_or_path) return model, None, None def run_forward_step(self, data_iterator, model): # Items and their type. keys = ['input_ids', 'attention_mask', 'token_type_ids', 'labels', 'next_sentence_label'] datatype = torch.int64 # Broadcast data. if data_iterator is not None: data = next(data_iterator) else: data = None data_b = mpu.broadcast_data(keys, data, datatype) input_ids = data_b['input_ids'].long() attention_mask = data_b['attention_mask'].long() token_type_ids = data_b['token_type_ids'].long() labels = data_b['labels'].long() next_sentence_label = data_b['next_sentence_label'].long() output_tensor = model(input_ids=input_ids, attention_mask=attention_mask, token_type_ids=token_type_ids, labels=labels, next_sentence_label=next_sentence_label) return output_tensor['loss']初始化Rapidformer引擎，创建trainer对象，调用
pretrain()方法，然后保存成文件并命名为rapidformer_pretrain_huggingface_bert_trainer.py。engine = RapidformerEngine() trainer = MyBertPreTrainer(engine=engine) trainer.train()基于CLI准备启动脚本，并设置加速开关。
#!/bin/bash export CUDA_VISIBLE_DEVICES=4,5,6,7 export MASTER_ADDR=localhost export MASTER_PORT=6010 export NNODES=1 export NODE_RANK=0 DATA_PATH=book_wiki_owtv2_small_text_sentence rapidformer --user-script rapidformer_pretrain_huggingface_bert_trainer.py \ --pretrained-model-name-or-path 'bert-base-uncased' \ --num-layers 12 \ --hidden-size 768 \ --num-attention-heads 12 \ --micro-batch-size 16 \ --global-batch-size 64 \ --seq-length 512 \ --tokenizer-type BertWordPieceLowerCase \ --max-position-embeddings 512 \ --train-iters 100 \ --data-path $DATA_PATH \ --vocab-file bert-en-uncased-vocab.txt \ --data-impl mmap \ #开启数据加速 --split 980,20 \ --lr 1e-3 \ --lr-decay-style linear \ --weight-decay 1e-2 \ --clip-grad 1.0 \ --lr-warmup-fraction .01 \ --zero-3-memory-optimization \ #开启模型状态切分 --onnx-runtime-training \ #开启计算图优化 --mixed-precision #混合精度训练
白盒化加速：用户自定义Trainer的Huggingface模型微调
针对用户自定义Trainer的程序，Rapidformer提供非常有限的加速能力，比如Apex优化器、模型状态切分、计算图优化等。由于混合精度训练涉及到对用户训练过程较多的修改，因此我们推荐您使用上面提供的基于代码模版的方法来实施对训练程序的加速。以下针对一个典型的huggingface微调代码进行侵入式的加速。
huggingface微调代码示例如下。
import torch
from datasets import load_dataset, load_metric
from torch.utils.data import DataLoader
from transformers import (
AdamW,
AutoModelForSequenceClassification,
AutoTokenizer,
get_linear_schedule_with_warmup,
BertForSequenceClassification,
)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("bert-base-cased")
datasets = load_dataset("glue", "mrpc")
metric = load_metric("glue", "mrpc")
def tokenize_function(examples):
# max_length=None => use the model max length (it's actually the default)
outputs = tokenizer(examples["sentence1"], examples["sentence2"], truncation=True, max_length=None)
return outputs
tokenized_datasets = datasets.map(
tokenize_function,
batched=True,
remove_columns=["idx", "sentence1", "sentence2"],
)
model = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained("bert-base-cased", return_dict=True)
optimizer = AdamW(params=model.parameters(), lr=args.lr, correct_bias=True)
lr_scheduler = get_linear_schedule_with_warmup(
optimizer=optimizer,
num_warmup_steps=args.lr_warmup_iters,
num_training_steps=args.train_iters
)
device = torch.device("cuda", args.local_rank)
for epoch in range(args.epochs):
model.train()
for step, batch in enumerate(train_dataloader):
batch.to(device)
outputs = model(**batch)
loss = outputs.loss
loss.backward()
optimizer.step()
lr_scheduler.step()
optimizer.zero_grad()
model.eval()
for step, batch in enumerate(eval_dataloader):
batch.to(device)
with torch.no_grad():
outputs = model(**batch)
predictions = outputs.logits.argmax(dim=-1)
metric.add_batch(
predictions=engine.gather(predictions),
references=engine.gather(batch["labels"]))
eval_metric = metric.compute()
print("epoch {}: {}".format(epoch, eval_metric))这段代码存在一些问题，比如不支持数据并行训练、优化器也比较慢、不支持混合精度训练等。以下借助Rapidformer提供的API来对这段示例自定义代码进行改造。
支持数据并行。
首先创建一个finetuner对象，然后调用
finetuner.build_data_loader方法返回数据加载器。该加载器支持数据并行并自动将data发送到GPU设备，这意味着可以在原始代码中去掉batch.to(device)。+ from rapidformer import RapidformerEngine + engine = RapidformerEngine() + finetuner = Finetuner(engine=engine) - train_dataloader = DataLoader（tokenized_datasets["train"]） - eval_dataloader = DataLoader（tokenized_datasets["train"]） + train_dataloader = finetuner.build_data_loader(tokenized_datasets["train"]） + eval_dataloader = finetuner.build_data_loader(tokenized_datasets["validation"]）在数据并行的基础上，使用Apex优化器。
将优化器换成更快的apex fused adam，去掉原来的optimizer，换成rapidformer提供的fused adam。具体方法是调用
engine.compose来对模型、优化器、学习率规划器进行封装。+ from rapidformer import RapidformerEngine + engine = RapidformerEngine() + finetuner = Finetuner(engine=engine) - optimizer = AdamW(params=model.parameters(), lr=args.lr, correct_bias=True) - lr_scheduler = get_linear_schedule_with_warmup(optimizer=optimizer, num_warmup_steps=args.lr_warmup_iters, num_training_steps=args.train_iters ) + lr_scheduler = partial( get_linear_schedule_with_warmup, num_warmup_steps=args.lr_warmup_iters, num_training_steps=args.train_iters ) + model, optimizer, lr_scheduler = engine.compose(model_obj=model, lr_scheduler_fn=lr_scheduler)说明在数据并行的基础上，使用Apex优化器和混合精度时，混合精度训练涉及到对训练流程的修改、model切换到fp16、loss scaling等。对无trainer的前端程序改造成本比较大，因此可使用基于Trainer的解决方案。有Rapidformer的fintuner的加持，能做的加速方案就比较多了，除了整合前面的数据并行和apex、pytorch混合精度训练，还提供了megatron optimizer混合精度训练、fairscale和deepspeed的显存优化加速等。
白盒化加速：基于Pretrainer代码模版的Megatron模型预训练
熟悉了上面的白盒化加速：用户自定义Trainer的Huggingface模型微调实践，您可以进一步更加灵活的绕过Data、Model Hub，在函数train_valid_test_datasets_provider中编写自定义数据的创建逻辑， 在函数model_optimizer_lr_scheduler_provider中编写自定义创建模型的逻辑，同时在run_forward_step中自定义的前向逻辑。
制作mmap类型的预训练数据集。
操作详情请参见Megatron数据处理脚本，mmap数据集制作脚本请参考如下命令示例。
python preprocess_data.py \ --input /apsarapangu/disk2/jerry.lp/pretrain_datasets/en/book_wiki_owtv2_small.json \ --output-prefix /apsarapangu/disk2/jerry.lp/pretrain_datasets/en/gpt_small \ --vocab gpt2-vocab.json \ --dataset-impl mmap \ --tokenizer-type GPT2BPETokenizer \ --merge-file gpt2-merges.txt \ --append-eod继承Pretrainer，完善预训练的代码中的数据自定义函数
train_valid_test_datasets_provider。您可以不依赖于任何第三方库来编写自定义的逻辑，用来生成train、valid、test数据集，您的数据集应该继承自
torch.utils.data.Dataset。from rapidformer import RapidformerEngine, get_args, PreTrainer class MegatronGPTPreTrainer(PreTrainer): def __init__(self, engine, ): super().__init__(engine=engine) def train_valid_test_datasets_provider(self, train_val_test_num_samples): args = get_args() train_ds, valid_ds, test_ds = build_train_valid_test_datasets( data_prefix=args.data_path, data_impl=args.data_impl, splits_string=args.split, train_valid_test_num_samples=train_val_test_num_samples, seq_length=args.seq_length, seed=args.seed, skip_warmup=(not args.mmap_warmup)) return train_ds, valid_ds, test_ds继承Pretrainer，完善预训练的代码中的模型自定义函数
model_optimizer_lr_scheduler_provider。您可以不依赖于任何第三方库来编写自定义的逻辑，用来生成自定义模型对象。您的模型应该是继承自
torch.nn.Module。from rapidformer import RapidformerEngine, get_args, PreTrainer from yourmodel import GPTModel class MegatronGPTPreTrainer(PreTrainer): def __init__(self, engine, ): super().__init__(engine=engine) def model_optimizer_lr_scheduler_provider(self): model = GPTModel() return model, None, None继承Pretrainer，完善预训练的代码中的前向自定义函数
run_forward_step。from rapidformer import RapidformerEngine, get_args, PreTrainer class MyGPTPreTrainer(PreTrainer): def __init__(self, engine, ): super().__init__(engine=engine) def run_forward_step(self, data_iterator, model): """Forward step.""" args = get_args() tokenizer = get_tokenizer() # Items and their type. keys = ['text'] datatype = torch.int64 # Broadcast data. if data_iterator is not None: data = next(data_iterator) else: data = None data_b = mpu.broadcast_data(keys, data, datatype) # Unpack. tokens_ = data_b['text'].long() labels = tokens_[:, 1:].contiguous() tokens = tokens_[:, :-1].contiguous() # Get the masks and postition ids. attention_mask, loss_mask, position_ids = get_ltor_masks_and_position_ids( tokens, tokenizer.eod, args.reset_position_ids, args.reset_attention_mask, args.eod_mask_loss) output_tensor = model(tokens, position_ids, attention_mask, labels=labels) losses = output_tensor.float() loss_mask = loss_mask.view(-1).float() loss = torch.sum(losses.view(-1) * loss_mask) / loss_mask.sum() return loss初始化Rapidformer引擎，创建trainer对象，调用
pretrain()方法。然后保存成文件并命名为rapidformer_pretrain_megatron_gpt_trainer.py。engine = RapidformerEngine() trainer = MyGPTPreTrainer(engine=engine) trainer.train()准备启动脚本，设置加速开关。
#!/bin/bash export CUDA_VISIBLE_DEVICES=4,5,6,7 export MASTER_ADDR=localhost export MASTER_PORT=6010 export NNODES=1 export NODE_RANK=0 DATA_PATH=book_wiki_owtv2_small_text_sentence PRETRAINED_CHECKPOINT= rapidformer --user-script rapidformer_pretrain_megatron_gpt_trainer.py \ --tensor-model-parallel-size 2 \ #开启算子拆分优化 --pipeline-model-parallel-size 2 \ #开启流水并行优化 --num-layers 12 \ --hidden-size 768 \ --num-attention-heads 12 \ --micro-batch-size 16 \ --global-batch-size 128 \ #开启梯度累积优化 --seq-length 512 \ --tokenizer-type GPT2BPETokenizer \ --max-position-embeddings 512 \ --train-iters 100 \ --data-path $DATA_PATH \ --vocab-file gpt2-vocab.json \ --merge-file gpt2-merges.txt \ --data-impl mmap \ #开启数据加速 --split 980,20 \ --lr 1e-3 \ --lr-decay-style linear \ --weight-decay 1e-2 \ --clip-grad 1.0 \ --lr-warmup-fraction .01 \ --log-interval 1 \ --zero-2-memory-optimization \ #开启模型状态切分 --checkpoint-activations \ #开启梯度检查点 --mixed-precision #开启混合精度训练
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