[干货]PyTorch重大更新：将支持自动混合精度训练！-轻识

AI编辑：我是小将

混合精度训练（mixed precision training）可以让模型训练在尽量不降低性能的情形下提升训练速度，而且也可以降低显卡使用内存。目前主流的深度学习框架都开始支持混合精度训练。对于PyTorch，混合精度训练还主要是采用NVIDIA开源的apex库。但是，PyTorch将迎来重大更新，那就是提供内部支持的混合精度训练，而且是自动混合精度训练：

torch.cuda.amp.autocast ：自动为GPU op选择精度来提升训练性能而不降低模型准确度。
torch.cuda.amp.GradScaler : 对梯度进行scale来加快模型收敛，因为float16梯度容易出现underflow（梯度过小）

两者结合在一起，可以实现自动混合精度训练：

# Creates model and optimizer in default precision
model = Net().cuda()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), ...)

# Creates a GradScaler once at the beginning of training.
scaler = GradScaler()

for epoch in epochs:
    for input, target in data:
        optimizer.zero_grad()

        # Runs the forward pass with autocasting.
        with autocast():
            output = model(input)
            loss = loss_fn(output, target)

        # Scales loss.  Calls backward() on scaled loss to create scaled gradients.
        # Backward passes under autocast are not recommended.
        # Backward ops run in the same precision that autocast used for corresponding forward ops.
        scaler.scale(loss).backward()

        # scaler.step() first unscales the gradients of the optimizer's assigned params.
        # If these gradients do not contain infs or NaNs, optimizer.step() is then called,
        # otherwise, optimizer.step() is skipped.
        scaler.step(optimizer)

        # Updates the scale for next iteration.
        scaler.update()

可以看到，为了防止梯度的underflow，首先scaler.scale(loss).backward()会对loss乘以一个scale因子，然后backward时所有梯度都会乘以相同的scale因子，这样保证梯度有较大的magnitude而不会出现为0。我们不希望这个scale因子对学习速率产生影响，那么scaler.step(optimizer)会先unscale要更新的梯度然后再更新，如果梯度出现infs或者NaNs，optimizer将忽略这次迭代训练。

如果你想在梯度更新前对梯度进行clip，也是可以的：

scaler = GradScaler()

for epoch in epochs:
    for input, target in data:
        optimizer.zero_grad()
        with autocast():
            output = model(input)
            loss = loss_fn(output, target)
        scaler.scale(loss).backward()

        # Unscales the gradients of optimizer's assigned params in-place
        scaler.unscale_(optimizer)

        # Since the gradients of optimizer's assigned params are unscaled, clips as usual:
        torch.nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), max_norm)

        # optimizer's gradients are already unscaled, so scaler.step does not unscale them,
        # although it still skips optimizer.step() if the gradients contain infs or NaNs.
        scaler.step(optimizer)

        # Updates the scale for next iteration.
        scaler.update()

当然，混合精度训练肯定要支持分布式训练，由于autocast是thread local的，所以要注意以下不同的情形：

如果使用`torch.nn.DataParallel`：

此时只有一个进程，而不同GPU上是各自的线程跑forward过程的，所以下面操作时无效的：

model = MyModel()
dp_model = nn.DataParallel(model)

# Sets autocast in the main thread
with autocast():
    # dp_model's internal threads won't autocast.  The main thread's autocast state has no effect.
    output = dp_model(input)
    # loss_fn still autocasts, but it's too late...
    loss = loss_fn(output)

此时你需要对model的forward方法用autocast装饰：

MyModel(nn.Module):
    ...
    @autocast()
    def forward(self, input):
       ...

# Alternatively
MyModel(nn.Module):
    ...
    def forward(self, input):
        with autocast():
            ...
model = MyModel()
dp_model = nn.DataParallel(model)

with autocast():
    output = dp_model(input)
    loss = loss_fn(output)