清华郑纬民院士：AI for Science的出现，让高性能计算与AI的融合成为刚需｜MEET2023

杨净 整理自 MEET2023

量子位 | 公众号 QbitAI

算力的需求，远比以往来得更为猛烈。甚至有人直呼：得算力者得未来。

元宇宙、AIGC、AI for Science的涌现，又给高性能计算（HPC）平添了好几把火。

在诸多挑战与机遇共存交织的当下，这一领域泰斗中国工程院院士、清华大学计算机科学与技术系郑纬民，在MEET2023智能未来大会上，分享了自己的见解和思考。

估计未来两年到四年，HPC（高性能计算）+AI+BigData融合的服务器就会出现。

AI for Science的出现，让HPC+AI的融合成为刚性需求；而数据处理又是AI的基础，数据和AI的融合也很自然。

甚至他还开玩笑说，现在要获HPC领域的戈登贝尔奖，必须要有AI的算法。你没有AI的算法，否则奖都得不了。

虽然这是玩笑说法，但实际上也是一种趋势。

除此之外，他还谈到人工智能计算机设计的三大平衡性原则、AI基准设计四大目标以及如何通过并行方法加速大规模预训练模型。

为了完整体现郑纬民院士的分享及思考，在不改变原意的基础上，量子位对他的演讲内容进行了编辑整理。

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• 估计未来两年到四年，HPC（高性能计算）+AI+BigData融合的服务器就会出现。过去HPC是一台机器、AI是一台机器，大数据处理是第三台机器，这三个机器自己管自己，但现在这三台机器正在融合之中；
• AI基准设计要达到四个目标：统一的一个分数、可变的问题规模、具有实际的人工智能意义、评测程序包含必要的多机通信；
• 现在要获HPC领域的戈登贝尔奖，必须要有AI的算法，你没有AI的算法，否则奖都得不了。这是开玩笑的说法，但实际上也是一个趋势；
• AI for Science的出现，让HPC+AI的融合成为刚性需求；
• 探索更大参数量模型的效果，是具有重要科学意义的；
• 我们希望人工智能计算机跟HPC有TOP 500一样，也有一个AIPerf 500。

（以下是郑纬民院士演讲全文）

人工智能计算机设计的三大平衡性原则

今天给大家讲讲我们团队为人工智能做的三件事，就是AI与算力基础设施的设计、评测和优化。

第一件事，HPC（高性能计算）和AI的应用是不一样的。

HPC的应用领域主要有科学和工程计算、天气预报、核聚变模拟、飞行器设计。它的运算精度是双精度浮点运算，64位甚至128位的，所以加减乘除做得很快，主要是这点不同。

人工智能计算机就是半精度的，甚至是定点的，8位的、16位的、32位的。

因此这两台机器应该是不一样的，而人工智能计算机最近两年才开始有。因此我们团队设计了一台能比较好地处理人工智能问题的计算机，究竟长什么样子？

我们团队第一个贡献，是人工智能计算机设计的平衡性原则。

第一个，计算平衡设计。人工智能是处理单精度的或者定点的，你这台机器是不是只要把定点的、单精度的做好就行了？但实际上也不是。虽然我们主要考虑半精度运算，但是也要考虑到双精度运算的能力。

这两年下来有一个经验：

1）双精度与半精度的运算性能之比1：100比较好。

2）人工智能计算机不能只做CNN的，还要做大模型训练。

因此，提出来叫变精度平衡设计思想，总体来说还要增加通用计算。

第二，网络平衡设计，既然这台机器很大，由上千个、上万个小机器连在一起，那么这个网络也要做得好。如果只做CNN那就好办，但还要考虑训练。这样一来，网络怎么做平衡设计也非常重要。

第三，存储，即IO子系统设计。我们知道现在每台机器都有SSD，怎么把每台SSD联合起来开成一个大的分布式文件系统？这也是很要紧的。

因此，我们提出来这三个平衡设计原则，已被很多公司采用。现在国内20多个城市陆续启动人工智能超算中心，让算力无处不在、触手可及，这其中大多数都用上了平衡设计这个想法。

目前行业有个趋势是HPC+AI+BigData融合在一块。过去HPC是一台机器、AI是一台机器，大数据处理是第三台机器，这三个机器自己管自己，但现在这三台机器正在融合之中。

为何这么说呢？

一方面，AI for Science的出现，让HPC程序中包含了AI算法。因此HPC+AI的融合，成为刚性需求。

我曾经开玩笑说，你现在要获HPC的领域戈登贝尔奖，必须要有AI的算法，你没有AI的算法，否则奖都得不了。这是开玩笑的说法，但实际上也是一个趋势。

另一方面，数据处理是AI的基础，数据和AI的融合也很自然。因此，我估计两年到四年，HPC、AI和BigData融合的服务器就会出现。

这是我们小组第一个贡献，即人工智能计算机应该长成什么样子。

AI基准设计要达四个目标

第二个贡献，大规模人工智能算力基准评测程序AIPerf。

什么意思呢？传统HPC有个评测程序Linpack，TOP500就是它评出来的，但它不能用于AI计算机评测。Linpack是用来测64位，甚至128位加减乘除做的快慢。现在人工智能计算机是16位、32位，甚至8位，这是完全不一样。

因此，我们需要做一个能回答这个问题的人工智能算力基准测试程序。我们希望有个简单的评价指标，来判断哪家系统的人工智能算力更强。

那现在有没有相应的评测程序呢？其实也有，但没有太合适的。

比如，DeepBench针对单个芯片，不适用于整机评测。Mobile AI Bench针对的是移动端硬件上的模型训练评测，不是整个系统的。MLPerf可扩展性不好。因此，我们决定要自己做一个。

做个AI基准设计一定要达到这四个目标：

1、统一的分数。我们希望运行Benchmark出来一个值，就一个值就行了。而不是结果出来一个报告，这样看起来很费劲。

2、可变的问题规模。Benchmark可以测4个节点组成的机器，也可以测1000个、20000个，要规模可变，大规模的做起来也挺费劲。

3、具有实际的人工智能意义。不能随便说加减乘除，那就不能反映人工智能的问题。特别是要反映人工智能问题中的神经网络运算、自然语言处理能力。

4、评测程序包含必要的多机通信，因为是一个大的系统，由多机连起来的，需要有通信。

最后，以清华大学为主的团队做了一个AIPerf来测试，于2020年11月15日首次发布。我们希望人工智能计算机跟HPC有TOP 500一样，也有一个AIPerf 500。

现在它已经连续三年每年都发布排行榜，得到了很多单位、企业的认可。

大规模预训练模型的三种并行加速方法

第三个贡献，百万亿参数超大规模训练模型的加速方法。

简单举个例子，学界至今已形成一个共识：模型规模和模型效果呈正相关关系。GPT有1.1亿参数，GPT-3有1750亿参数，悟道2.0有1.75万亿参数，我们做的BaGuaLu却有174万亿参数，应该说参数越多，效果越好，越接近人的智慧，但有个问题就是，训练数据越多，要求的算力也就越大。

再来看左边这张图SAT（美国高考）任务的情况，如果模型参数达到100B（相当于1000亿个参数），那么模型完成SAT，就有70%的准确度。

因此，探索更大参数量模型的效果，是具有重要科学意义的。

但模型越做越大，问题随之而来。现在国内很多单位模型都做得很好，但怎么把模型安装到一台机器上去，这有讲究。

举个例子，我们就将BaGuaLu模型安装到了新一代神威体系结构芯片上。

图上可以看到，核组共有64个核，再加上黑色主核，共有65个核。一个CPU共有6个这样的组成：CG0、CG1、CG2、CG3、CG4、CG5，这6个通过环形网连在一起。我们称之为一个节点，将它集成到一块，一个节点大概有390个核。一共有256个节点组成超节点，超节点内部通信一步直联，超节点跟超节点之间要经过上层的网络。

因此，256个节点内部通信很快，一步就到。但超节点之间的通信就比较慢了。

而要将大模型在这台机器上运行，问题就来了。现在预训练模型都是Transfomer，而Transfomer结构是嵌入层、注意力层、前反馈网络层，中间注意力层跟前反馈层都会经过N次迭代，整个运算又基本上是矩阵乘法。

如果一个模型能在单个CPU上运算，那最省事了，但CPU的计算能力有限，内存也有限，模型也就大不到哪里去。因此大模型训练一定是多机的、分布的，这就涉及到了多种并行方法。

第一种，数据并行。假如整个模型设两个节点，一个模型节点0、另一个模型做的节点1，整个模型都做了数据并行，数据各一半要拿去训练学习，但是要注意训练完了以后不是最终的结果，因为只输入了一半的数据。因此这中间要AII-Reduce，AII-Reduce就做好多通信，整件事情就会很复杂。

第二种，模型并行。将整个模型切成一半，一半模型节点0，一半模型节点1，数据是整个拿去训练。训练完了以后出来的结果也不是最终结果，因为只训练了一半的模型，出来还有AII-Gather，也是做通信的。

第三种，专家并行，跟数据并行、模型并行一样，同样要求通信。

现在如果你只有一种方法，究竟用哪种并行方法呢？实际上这跟计算机结构有关。如果每台计算机之间通信都非常快，那么用数据并行就可以；如果你的通信比较慢，就要考虑模型并行或者专家并行。

因此，这些模型如何跟数据、机器实际情况匹配？这就涉及到软硬件协同这件事。

我们在新一代神威机器上采用了“拓扑感知的混合并行模式”。

具体而言，刚才提到，该体系架构节点内部通信很快，但超节点之间通信比较慢。因此在混合并行模式下，一个通信超节点内部，采用数据并行；超节点之间则采用专家并行或模型并行。

除此之外，还有内存大小、访问内存等问题：怎么样让内存访问的比较快，负载比较均衡？

做大规模模型训练时，平均每小时都会发生一次硬件软件出错，不要以为这个机器不可靠。目前这个水平已经很好了。因此，一般都要做检查点，如果写的不好，这件事情就有做三个小时，怎么能让它加速呢？最后我们做到了10分钟就完成了。

现在，我们把模型开源了，尤其是并行训练模型，将他们放在了开源系统FastMOE里，现在得到了工业界很多认可，像阿里巴巴的淘宝、天猫，腾讯的端到端语言模型，都用上了我们的并行系统。百度飞桨的MOE模块，也使用了我们的FastMOE。

最后总结一下，一是人工智能算力是当前人工智能领域发展的关键。

二是团队对人工智能的三点小贡献：

1）提出了一种AI算力基础设施的架构和平衡设计原则，现在全国20多个城市的20多个人工智能超算中心基本上都采纳了我们的设计思想。

2）做了评测，即人工智能基准测试程序AIPerf，现在每年都会发布500名榜单，在国内外产生了一定影响。

3）大模型怎么训练得快？特别是关于数据并行、模型并行，还是专家并行。我们做了一个库放在Open Source上。现在工业界都来用我们的东西，使得大训练模型训练能够加快。

因此，我们团队对人工智能做了这三点小贡献，希望能够推动人工智能的发展。

讲的不对的地方请大家批评指正。谢谢大家！