NVIDIA GPU加速机器学习模型推理

谷歌云与 NVIDIA 携手合作后，Dataflow 迎来了一项关键更新：将 GPU 引入大数据处理领域。这究竟意味着什么？简而言之，数据流用户如今可以在机器学习推理工作流中，直接调用 NVIDIA GPU 的强大计算能力。接下来，我们以 BERT 模型为例，看看这种组合能带来多大的性能提升。

Google Cloud 的 Dataflow 本身是一项托管服务，专用于处理多种数据处理模式，包括流式分析和批处理分析。此次新增的 GPU 支持，相当于为数据流管道装上了一颗“加速引擎”，特别适合在管道上运行的机器学习推理任务。

接下来，我们将逐步展示如何通过部署一个微调后的 BERT 模型（针对“问答”任务），实测 NVIDIA GPU 加速带来的性能提升和总拥有成本（TCO）优化。我们将依次演示：在 Dataflow 上用 CPU 执行 TensorFlow 推理、将同样的代码迁移到 GPU 上运行、最后再借助 NVIDIA TensorRT 对模型进行转换和部署，看看能快到何种程度。

图1：Dataflow 架构与 GPU 运行时环境。

整个过程分为几个步骤，我们先从搭建本地环境开始。

搭建实验环境

建议为 Python 创建一个虚拟环境，这里使用 virtualenv 来实现：

virtualenv -p  

使用 Dataflow 时，需要确保开发环境中的 Python 版本与 Dataflow 运行时版本保持一致。更具体地说，在运行数据流管道时，最好使用相同的 Python 版本和 Apache Beam SDK 版本，否则容易遇到兼容性问题。

激活虚拟环境：

source /bin/activate

有一点需要特别注意：激活前请确认自己不在另一个虚拟环境里，否则会引发各种不可预知的错误。

环境激活后，就可以安装所需软件包了。即使作业最终在 Dataflow 上运行，本地也需要安装一些包，这样在本地跑代码时 Python 才不会报错。

pip install apache-beam[gcp]
pip install TensorFlow==2.3.1

你可以尝试 TensorFlow 的不同版本，但关键是让本地版本与数据流环境保持一致。apache-beam 及其 Google Cloud 组件也是必需的。

获取微调的 BERT 模型

NVIDIA NGC 上资源丰富，从 GPU 优化的容器到微调好的模型应有尽有。这次我们使用了几个 NGC 上的现成资源。

第一个资源是 BERT 大型模型，针对 SquadV2 问答任务做了微调，包含 3.4 亿个参数。使用以下命令即可下载：

wget --content-disposition https://api.ngc.nvidia.com/v2/models/nvidia/bert_tf_sa vedmodel_large_qa_squad2_amp_384/versions/19.03.0/zip -O bert_tf_sa vedmodel_large_qa_squad2_amp_384_19.03.0.zip

这个 BERT 模型在训练时使用了自动混合精度（AMP），序列长度为 384。

此外还需要一个词汇表文件，可以从 BERT 检查点获取，通过以下命令从 NGC 下载：

wget --content-disposition https://api.ngc.nvidia.com/v2/models/nvidia/bert_tf_ckpt_large_qa_squad2_amp_128/versions/19.03.1/zip -O bert_tf_ckpt_large_qa_squad2_amp_128_19.03.1.zip

下载完成后，解压缩并放到工作文件夹中。后面我们会用到自定义 Docker 容器，这些模型会被打包进镜像里。

自定义 Dockerfile

我们使用一个基于 NGC TensorFlow 容器派生的自定义 Dockerfile。NGC 的 TensorFlow 容器是加速 TF 模型的最佳起点。

在此基础上再加几个步骤，把模型和文件复制进去。下面是 Dockerfile 的片段：

FROM nvcr.io/nvidia/tensorflow:20.11-tf2-py3
RUN pip install --no-cache-dir apache-beam[gcp]==2.26.0 ipython pytest pandas && \
    mkdir -p /workspace/tf_beam
COPY --from=apache/beam_python3.6_sdk:2.26.0 /opt/apache/beam /opt/apache/beam
ADD . /workspace/tf_beam
WORKDIR /workspace/tf_beam
ENTRYPOINT [ "/opt/apache/beam/boot" ]

接下来的步骤是构建 Docker 镜像并推送到 Google 容器注册中心（GCR）：

project_id=""
docker build . -t "gcr.io/${project_id}/tf-dataflow-${USER}:latest"
docker push "gcr.io/${project_id}/tf-dataflow-${USER}:latest"

也可以直接使用我们提供的脚本，执行 bash build_and_push.sh 即可。

运行作业

认证好 Google 账号后，直接调用 run_gpu.sh 和 run_gpu.sh 脚本就能运行我们提供的 Python 文件。

数据流中的 CPU TensorFlow 推理（TF-CPU）

仓库中的 bert_squad2_qa_cpu.py 文件用于根据文本文档回答问题。批量大小设为 16，意味着每次推理调用回答 16 个问题，总共 16000 个问题（1000 批）。当然，BERT 也可以针对其他任务进行微调。

在 Dataflow 上运行作业时，默认会基于实时 CPU 使用率自动缩放。如果想禁用这个功能，需要把 autoscaling_algorithm 设置为 NONE，这样就能指定整个工作周期中使用多少 worker。或者，通过设置 max_num_workers 参数，让 Dataflow 自动缩放但限制最大 worker 数。

建议给作业设置一个名称，而不是使用自动生成的，这样通过 job_name 参数可以更好地跟踪。作业名称会作为运行作业的计算实例的前缀。

用 GPU 加速（TF-GPU）

要在 GPU 支持下执行同样的 TensorFlow 推理作业，需要设置以下参数：

--experiment "worker_accelerator=type:nvidia-tesla-t4;count:1;install-nvidia-driver"

这个参数能让一个 CUDA T4 张量核连接到 Dataflow worker VM，在 Compute VM 实例上也能看到。Dataflow 会自动安装所需的 NVIDIA 11 驱动。

bert_squad2_qa_gpu.py 文件和 bert_squad2_qa_cpu.py 几乎一模一样。这意味着几乎不需要改动，就能用 NVIDIA GPU 跑起来。当然，我们也加了一些额外的 GPU 设置，比如使用下面的代码设置内存增长：

physical_devices = tf.config.list_physical_devices('GPU')
tf.config.experimental.set_memory_growth(physical_devices[0], True)

NVIDIA 优化库的推理

NVIDIA TensorRT 能优化深度学习模型的推理，提供低延迟和高吞吐量。这里我们先用 TensorRT 优化 BERT 模型，然后在 Dataflow 管道上用 GPU 做快速问答。用户可以参考 TensorRT 演示 BERT GitHub 仓库。

我们还用到了 Polygraphy——它是 TensorRT 的高级 Python API，用于加载 TensorRT 引擎文件并运行推理。在数据流代码中，TensorRT 模型被封装为一个共享工具类，这样数据流工作进程的所有线程都能使用它。

比较 CPU 和 GPU 运行效果

下表展示了示例运行的总运行时间和资源消耗。Dataflow 作业的最终成本是总 vCPU 时间、总内存时间和总硬盘使用量的线性组合。GPU 场景下还多了一个 GPU 组件。

上表基于单次运行，具体数值可能有波动，但根据我们的实验，比率变化不大。

当使用 NVIDIA GPU（TF-GPU）加速模型时，与 CPU（TF-CPU）相比，总节省（包括成本和时间）超过 10 倍。换句话说，用 NVIDIA GPU 推理这个任务，不仅跑得更快，成本也更低。

而用上 NVIDIA TensorRT 这样的优化推理库，用户甚至可以在 Dataflow 的 GPU 上运行更复杂、更大的模型。TensorRT 进一步加速了同一个作业——比使用 TF-GPU 快 3.6 倍，成本节省 4.2 倍。和 TF-CPU 相比，执行时间减少了 17 倍，费用减少了 38 倍。这才是关键所在。

总结

在这篇文章中，我们比较了 TF-CPU、TF-GPU 和 TensorRT 在 Google Cloud Dataflow 上运行问答任务的推理性能。结论非常明确：Dataflow 用户通过利用 GPU worker 和 NVIDIA 优化库，能够获得巨大的收益。

使用 NVIDIA GPU 和软件加速深度学习模型推理其实非常简单。只需要添加或改动两行代码，就能用 TF-GPU 或 TensorRT 运行模型。我们提供了相关的脚本和源文件供参考。

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