Efficient distributed training is a principal driver of recent advances in deep learning. However, communication often proves costly and becomes the primary bottleneck in these systems. As a result, there is a demand for the design of efficient communication mechanisms that can empirically boost throughput while providing theoretical guarantees. In this work, we introduce Global-QSGD, a novel family of quantization operators, engineered to accelerate distributed training based on global scaling. We demonstrate that Global-QSGD is the first theoretically rigorous Allreduce-compatible compression mechanism that achieves a provable speed-up by striking a balance between compression error and communication savings. Importantly, Global-QSGD does not rely on costly error feedback due to its inherent unbiasedness and offers up to $O(\sqrt{n})$ additional compression ratio compared to the popular QSGD quantization ($n$ represents the number of workers). To obtain theoretical guarantees, we generalize the notion of standard unbiased compression operators to incorporate Global-QSGD. We show that this wider class permits standard analysis for unbiased compressors and thus ensures convergence for popular optimization algorithms (e.g., distributed SGD) under typical settings. For the empirical component of our work, we carry out a performance modeling analysis to determine if Global-QSGD can enhance training throughput under specific hardware configurations. We also conduct extensive empirical evaluations on various tasks, testing our theory on both NVLink and PCIe connections as well as a large-scale cloud system.


翻译:摘要:高效的分布式训练是近期深度学习进展的主要驱动力。然而,通信过程往往成本高昂,并成为这些系统中的首要瓶颈。因此,亟需设计既能通过实证提升吞吐量又能提供理论保证的高效通信机制。本文提出了一种新型量化算子族Global-QSGD,其基于全局缩放机制旨在加速分布式训练。我们证明,Global-QSGD是首个在压缩误差与通信节约之间实现可证明加速的理论严谨的Allreduce兼容压缩机制。重要的是,由于Global-QSGD具有内在无偏性,其无需依赖代价高昂的误差反馈机制,并且相比于流行的QSGD量化方法(其中n表示工作节点数),可额外提供高达$O(\sqrt{n})$的压缩比。为获得理论保证,我们将标准无偏压缩算子的概念加以推广以涵盖Global-QSGD。我们证明,这更广泛的类别允许对无偏压缩器进行标准分析,从而在典型设置下确保主流优化算法(如分布式SGD)的收敛性。在实证部分,我们通过性能建模分析,确定Global-QSGD在特定硬件配置下能否提升训练吞吐量。此外,我们还在各类任务上开展广泛的实证评估,分别在NVLink和PCIe连接以及大规模云计算系统上验证了相关理论。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
128+阅读 · 2022年4月21日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
74+阅读 · 2020年8月2日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
20+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
LibRec 精选:推荐的可解释性[综述]
LibRec智能推荐
10+阅读 · 2018年5月4日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年7月19日
Arxiv
23+阅读 · 2022年2月24日
Arxiv
45+阅读 · 2019年12月20日
VIP会员
最新内容
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
1+阅读 · 今天11:43
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:18
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
5+阅读 · 今天5:54
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
6+阅读 · 今天3:42
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
6+阅读 · 6月24日
重新思考无人机时代的生存能力
专知会员服务
9+阅读 · 6月24日
装甲突击旅:现代战争思考、战斗与组织
专知会员服务
7+阅读 · 6月24日
在人工智能加速决策环境中拓展OODA循环
专知会员服务
9+阅读 · 6月24日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
128+阅读 · 2022年4月21日
神经常微分方程教程,50页ppt,A brief tutorial on Neural ODEs
专知会员服务
74+阅读 · 2020年8月2日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
20+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
LibRec 精选:推荐的可解释性[综述]
LibRec智能推荐
10+阅读 · 2018年5月4日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员