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完全分片数据并行

完全分片数据并行（FSDP）是一种数据并行方法， 它将模型的参数、梯度和优化器状态在可用 GPU（也称为 Worker 或 rank）的数量上进行分片。 与分布式数据并行（DDP）不同， FSDP 减少了内存使用量，因为模型在每个 GPU 上都被复制了一次。这就提高了 GPU 内存效率， 使您能够用较少的 GPU 训练更大的模型。FSDP 已经集成到 Accelerate 中， 这是一个用于在分布式环境中轻松管理训练的库，这意味着可以从 `Trainer` 类中调用这个库。

在开始之前，请确保已安装 Accelerate，并且至少使用 PyTorch 2.1.0 或更高版本。

    pip install accelerate

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FSDP 配置

首先，运行 `accelerate config` 命令为您的训练环境创建一个配置文件。Accelerate 使用此配置文件根据您在 `accelerate config` 中选择的训练选项来自动搭建正确的训练环境。

    accelerate config

运行 `accelerate config` 时，您将被提示一系列选项来配置训练环境。 本节涵盖了一些最重要的 FSDP 选项。要了解有关其他可用的 FSDP 选项的更多信息， 请查阅 fsdp_config 参数。

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分片策略

FSDP 提供了多种可选择的分片策略：

- `FULL_SHARD` - 将模型参数、梯度和优化器状态跨 Worker 进行分片；为此选项选择 `1`
- `SHARD_GRAD_OP`- 将梯度和优化器状态跨 Worker 进行分片；为此选项选择 `2`
- `NO_SHARD` - 不分片任何内容（这等同于 DDP）；为此选项选择 `3`
- `HYBRID_SHARD` - 在每个 Worker 中分片模型参数、梯度和优化器状态，其中每个 Worker 也有完整副本；为此选项选择 `4`
- `HYBRID_SHARD_ZERO2` - 在每个 Worker 中分片梯度和优化器状态，其中每个 Worker 也有完整副本；为此选项选择 `5`

这由 `fsdp_sharding_strategy` 标志启用。

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CPU 卸载

当参数和梯度在不使用时可以卸载到 CPU 上，以节省更多 GPU 内存并帮助您适应即使 FSDP 也不足以容纳大型模型的情况。 在运行 `accelerate config` 时，通过设置 `fsdp_offload_params: true` 来启用此功能。

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包装策略

FSDP 是通过包装网络中的每个层来应用的。通常，包装是以嵌套方式应用的，其中完整的权重在每次前向传递后被丢弃， 以便在下一层使用内存。自动包装策略是实现这一点的最简单方法，您不需要更改任何代码。 您应该选择 `fsdp_auto_wrap_policy: TRANSFORMER_BASED_WRAP` 来包装一个 Transformer 层， 并且 `fsdp_transformer_layer_cls_to_wrap` 来指定要包装的层（例如 `BertLayer`）。

否则，您可以选择基于大小的包装策略，其中如果一层的参数超过一定数量，则应用 FSDP。通过设置 `fsdp_wrap_policy: SIZE_BASED_WRAP` 和 `min_num_param` 来启用此功能，将参数设置为所需的大小阈值。

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检查点

应该使用 `fsdp_state_dict_type: SHARDED_STATE_DICT` 来保存中间检查点， 因为在排名 0 上保存完整状态字典需要很长时间，通常会导致 `NCCL Timeout` 错误，因为在广播过程中会无限期挂起。 您可以使用 `load_state` 方法加载分片状态字典以恢复训练。

    # 包含检查点的目录
    accelerator.load_state("ckpt")

然而，当训练结束时，您希望保存完整状态字典，因为分片状态字典仅与 FSDP 兼容。

    if trainer.is_fsdp_enabled:
        trainer.accelerator.state.fsdp_plugin.set_state_dict_type("FULL_STATE_DICT")

    trainer.save_model(script_args.output_dir)

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TPU

PyTorch XLA 支持用于 TPUs 的 FSDP 训练， 可以通过修改由 `accelerate config` 生成的 FSDP 配置文件来启用。除了上面指定的分片策略和包装选项外， 您还可以将以下参数添加到文件中。

    xla: True # 必须设置为 True 以启用 PyTorch/XLA
    xla_fsdp_settings: # XLA 特定的 FSDP 参数
    xla_fsdp_grad_ckpt: True # 使用梯度检查点

`xla_fsdp_settings` 允许您配置用于 FSDP 的额外 XLA 特定参数。

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启动训练

FSDP 配置文件示例如下所示：

    compute_environment: LOCAL_MACHINE
    debug: false
    distributed_type: FSDP
    downcast_bf16: "no"
    fsdp_config:
      fsdp_auto_wrap_policy: TRANSFORMER_BASED_WRAP
      fsdp_backward_prefetch_policy: BACKWARD_PRE
      fsdp_cpu_ram_efficient_loading: true
      fsdp_forward_prefetch: false
      fsdp_offload_params: true
      fsdp_sharding_strategy: 1
      fsdp_state_dict_type: SHARDED_STATE_DICT
      fsdp_sync_module_states: true
      fsdp_transformer_layer_cls_to_wrap: BertLayer
      fsdp_use_orig_params: true
    machine_rank: 0
    main_training_function: main
    mixed_precision: bf16
    num_machines: 1
    num_processes: 2
    rdzv_backend: static
    same_network: true
    tpu_env: []
    tpu_use_cluster: false
    tpu_use_sudo: false
    use_cpu: false

要启动训练，请运行 `accelerate launch` 命令，它将自动使用您之前使用 `accelerate config` 创建的配置文件。

    accelerate launch my-trainer-script.py

    accelerate launch --fsdp="full shard" --fsdp_config="path/to/fsdp_config/ my-trainer-script.py

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下一步

FSDP 在大规模模型训练方面是一个强大的工具，您可以使用多个 GPU 或 TPU。 通过分片模型参数、优化器和梯度状态，甚至在它们不活动时将其卸载到 CPU 上， FSDP 可以减少大规模训练的高成本。如果您希望了解更多信息，下面的内容可能会有所帮助：

- 深入参考 Accelerate 指南，了解有关 FSDP的更多信息。
- 阅读介绍 PyTorch 完全分片数据并行（FSDP）API 博文。
- 阅读使用 FSDP 在云 TPU 上扩展 PyTorch 模型博文。

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