大規(guī)模機器學習框架的四重境界 - 全文

自從google發(fā)表著名的GFS、MapReduce、BigTable三篇paper以后，互聯(lián)網(wǎng)正式迎來了大數(shù)據(jù)時代。大數(shù)據(jù)的顯著特點是大，哪里都大的大。本篇主要針對volume大的數(shù)據(jù)時，使用機器學習來進行數(shù)據(jù)處理過程中遇到的架構(gòu)方面的問題做一個系統(tǒng)的梳理。

有了GFS我們有能力積累海量的數(shù)據(jù)樣本，比如在線廣告的曝光和點擊數(shù)據(jù)，天然具有正負樣本的特性，累積一兩個月往往就能輕松獲得百億、千億級的訓練樣本。這樣海量的樣本如何存儲？用什么樣的模型可以學習海量樣本中有用的pattern？這些問題不止是工程問題，也值得每個做算法的同學去深入思考。

1.1簡單模型or復(fù)雜模型

在深度學習概念提出之前，算法工程師手頭能用的工具其實并不多，就LR、SVM、感知機等寥寥可數(shù)、相對固定的若干個模型和算法；那時候要解決一個實際的問題，算法工程師更多的工作主要是在特征工程方面。而特征工程本身并沒有很系統(tǒng)化的指導(dǎo)理論（至少目前沒有看到系統(tǒng)介紹特征工程的書籍），所以很多時候特征的構(gòu)造技法顯得光怪陸離，是否有用也取決于問題本身、數(shù)據(jù)樣本、模型以及運氣。

在特征工程作為算法工程師主要工作內(nèi)容的時候，構(gòu)造新特征的嘗試往往很大部分都不能在實際工作中work。據(jù)我了解，國內(nèi)幾家大公司在特征構(gòu)造方面的成功率在后期一般不會超過20%。也就是80%的新構(gòu)造特征往往并沒什么正向提升效果。如果給這種方式起一個名字的話，大概是簡單模型+復(fù)雜特征；簡單模型說的是算法比如LR、SVM本身并不服務(wù)，參數(shù)和表達能力基本呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，易于理解。復(fù)雜特征則是指特征工程方面不斷嘗試使用各種奇技淫巧構(gòu)造的可能有用、可能沒用的特征，這部分特征的構(gòu)造方式可能會有各種trick，比如窗口滑動、離散化、歸一化、開方、平方、笛卡爾積、多重笛卡爾積等等；順便提一句，因為特征工程本身并沒有特別系統(tǒng)的理論和總結(jié)，所以初入行的同學想要構(gòu)造特征就需要多讀paper，特別是和自己業(yè)務(wù)場景一樣或類似的場景的paper，從里面學習作者分析、理解數(shù)據(jù)的方法以及對應(yīng)的構(gòu)造特征的技法；久而久之，有望形成自己的知識體系。

深度學習概念提出以后，人們發(fā)現(xiàn)通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以進行一定程度的表示學習（representation learning），例如在圖像領(lǐng)域，通過CNN提取圖像feature并在此基礎(chǔ)上進行分類的方法，一舉打破了之前算法的天花板，而且是以極大的差距打破。這給所有算法工程師帶來了新的思路，既然深度學習本身有提取特征的能力，干嘛還要苦哈哈的自己去做人工特征設(shè)計呢？

深度學習雖然一定程度上緩解了特征工程的壓力，但這里要強調(diào)兩點：1.緩解并不等于徹底解決，除了圖像這種特定領(lǐng)域，在個性化推薦等領(lǐng)域，深度學習目前還沒有完全取得絕對的優(yōu)勢；究其原因，可能還是數(shù)據(jù)自身內(nèi)在結(jié)構(gòu)的問題，使得在其他領(lǐng)域目前還沒有發(fā)現(xiàn)類似圖像+CNN這樣的完美CP。2.深度學習在緩解特征工程的同時，也帶來了模型復(fù)雜、不可解釋的問題。算法工程師在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面一樣要花很多心思來提升效果。概括起來，深度學習代表的簡單特征+復(fù)雜模型是解決實際問題的另一種方式。

兩種模式孰優(yōu)孰劣還難有定論，以點擊率預(yù)測為例，在計算廣告領(lǐng)域往往以海量特征+LR為主流，根據(jù)VC維理論，LR的表達能力和特征個數(shù)成正比，因此海量的feature也完全可以使LR擁有足夠的描述能力。而在個性化推薦領(lǐng)域，深度學習剛剛萌芽，目前google play采用了WDL的結(jié)構(gòu)[1]，youtube采用了雙重DNN的結(jié)構(gòu)[2]。

不管是那種模式，當模型足夠龐大的時候，都會出現(xiàn)模型參數(shù)一臺機器無法存放的情況。比如百億級feature的LR對應(yīng)的權(quán)重w有好幾十個G，這在很多單機上存儲都是困難的，大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則更復(fù)雜，不僅難以單機存儲，而且參數(shù)和參數(shù)之間還有邏輯上的強依賴；要對超大規(guī)模的模型進行訓練勢必要借用分布式系統(tǒng)的技法，本文主要是系統(tǒng)總結(jié)這方面的一些思路。

1.2數(shù)據(jù)并行vs模型并行

數(shù)據(jù)并行和模型并行是理解大規(guī)模機器學習框架的基礎(chǔ)概念，其緣起未深究，第一次看到是在姐夫（Jeff Dean）的blog里，當時匆匆一瞥，以為自己懂了。多年以后，再次開始調(diào)研這個問題的時候才想起長者的教訓，年輕人啊，還是圖樣，圖森破。如果你和我一樣曾經(jīng)忽略過這個概念，今天不放復(fù)習一下。

這兩個概念在[3]中沐帥曾經(jīng)給出了一個非常直觀而經(jīng)典的解釋，可惜不知道什么原因，當我想引用時卻發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被刪除了。我在這里簡單介紹下這個比喻：如果要修兩棟樓，有一個工程隊，怎么操作？第一個方案是將人分成兩組，分別蓋樓，改好了就裝修；第二種做法是一組人蓋樓，等第一棟樓蓋好，另一組裝修第一棟，然后第一組繼續(xù)蓋第二棟樓，改完以后等裝修隊裝修第二棟樓。咋一看，第二種方法似乎并行度并不高，但第一種方案需要每個工程人員都擁有“蓋樓”和“裝修”兩種能力，而第二個方案只需要每個人擁有其中一種能力即可。第一個方案和數(shù)據(jù)并行類似，第二個方案則道出了模型并行的精髓。
數(shù)據(jù)并行理解起來比較簡單，當樣本比較多的時候，為了使用所有樣本來訓練模型，我們不妨把數(shù)據(jù)分布到不同的機器上，然后每臺機器都來對模型參數(shù)進行迭代，如下圖所示

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圖片取材于TensorFlow的paper[4]，圖中ABC代表三臺不同的機器，上面存儲著不同的樣本，模型P在各臺機器上計算對應(yīng)的增量，然后在參數(shù)存儲的機器上進行匯總和更新，這就是數(shù)據(jù)并行。先忽略synchronous，這是同步機制相關(guān)的概念，在第三節(jié)會有專門介紹。

數(shù)據(jù)并行概念簡單，而且不依賴于具體的模型，因此數(shù)據(jù)并行機制可以作為框架的一種基礎(chǔ)功能，對所有算法都生效。與之不同的是，模型并行因為參數(shù)間存在依賴關(guān)系（其實數(shù)據(jù)并行參數(shù)更新也可能會依賴所有的參數(shù)，但區(qū)別在于往往是依賴于上一個迭代的全量參數(shù)。而模型并行往往是同一個迭代內(nèi)的參數(shù)之間有強依賴關(guān)系，比如DNN網(wǎng)絡(luò)的不同層之間的參數(shù)依照BP算法形成的先后依賴），無法類比數(shù)據(jù)并行這樣直接將模型參數(shù)分片而破壞其依賴關(guān)系，所以模型并行不僅要對模型分片，同時需要調(diào)度器來控制參數(shù)間的依賴關(guān)系。而每個模型的依賴關(guān)系往往并不同，所以模型并行的調(diào)度器因模型而異，較難做到完全通用。關(guān)于這個問題，CMU的Erix Xing在[5]中有所介紹，感興趣的可以參考。

模型并行的問題定義可以參考姐夫的[6]，這篇paper也是tensorflow的前身相關(guān)的總結(jié)，其中圖

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解釋了模型并行的物理圖景，當一個超大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無法存儲在一臺機器上時，我們可以切割網(wǎng)絡(luò)存到不同的機器上，但是為了保持不同參數(shù)分片之間的依賴，如圖中粗黑線的部分，則需要在不同的機器之間進行concurrent控制；同一個機器內(nèi)部的參數(shù)依賴，即途中細黑線部分在機器內(nèi)即可完成控制。

黑線部分如何有效控制呢？如下圖所示

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在將模型切分到不同機器以后，我們將參數(shù)和樣本一起在不同機器間流轉(zhuǎn)，圖中ABC代表模型的不同部分的參數(shù)；假設(shè)C依賴B，B依賴A，機器1上得到A的一個迭代后，將A和必要的樣本信息一起傳到機器2，機器2根據(jù)A和樣本對P2更新得到，以此類推；當機器2計算B的時候，機器1可以展開A的第二個迭代的計算。了解CPU流水線操作的同學一定感到熟悉，是的，模型并行是通過數(shù)據(jù)流水線來實現(xiàn)并行的。想想那個蓋樓的第二種方案，就能理解模型并行的精髓了。

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上圖則是對控制模型參數(shù)依賴的調(diào)度器的一個示意圖，實際框架中一般都會用DAG（有向無環(huán)圖）調(diào)度技術(shù)來實現(xiàn)類似功能，未深入研究，以后有機會再補充說明。

理解了數(shù)據(jù)并行和模型并行對后面參數(shù)服務(wù)器的理解至關(guān)重要，但現(xiàn)在讓我先蕩開一筆，簡單介紹下并行計算框架的一些背景信息。

2. 并行算法演進

2.1 MapReduce路線

從函數(shù)式編程中的受到啟發(fā)，google發(fā)布了MapReduce[7]的分布式計算方式；通過將任務(wù)切分成多個疊加的Map+Reduce任務(wù)，來完成復(fù)雜的計算任務(wù)，示意圖如下

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MapReduce的主要問題有兩個，一是原語的語義過于低級，直接使用其來寫復(fù)雜算法，開發(fā)量比較大；另一個問題是依賴于磁盤進行數(shù)據(jù)傳遞，性能跟不上業(yè)務(wù)需求。

為了解決MapReduce的兩個問題，Matei在[8]中提出了一種新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)RDD，并構(gòu)建了Spark框架。Spark框架在MR語義之上封裝了DAG調(diào)度器，極大降低了算法使用的門檻。較長時間內(nèi)spark幾乎可以說是大規(guī)模機器學習的代表，直至后來沐帥的參數(shù)服務(wù)器進一步開拓了大規(guī)模機器學習的領(lǐng)域以后，spark才暴露出一點點不足。如下圖

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從圖中可以看出，spark框架以Driver為核心，任務(wù)調(diào)度和參數(shù)匯總都在driver，而driver是單機結(jié)構(gòu)，所以spark的瓶頸非常明顯，就在Driver這里。當模型規(guī)模大到一臺機器存不下的時候，Spark就無法正常運行了。所以從今天的眼光來看，Spark只能稱為一個中等規(guī)模的機器學習框架。劇透一句，公司開源的Angel通過修改Driver的底層協(xié)議將Spark擴展到了一個高一層的境界。后面還會再詳細介紹這部分。

MapReduce不僅是一個框架，還是一種思想，google開創(chuàng)性的工作為我們找到了大數(shù)據(jù)分析的一個可行方向，時至今日，仍不過時。只是逐漸從業(yè)務(wù)層下沉到底層語義應(yīng)該處于的框架下層。

2.2 MPI技術(shù)

沐帥在[9]中對MPI的前景做了簡要介紹；和Spark不同，MPI是類似socket的一種系統(tǒng)通信API，只是支持了消息廣播等功能。因為對MPI研究不深入，這里簡單介紹下優(yōu)點和缺點吧；優(yōu)點是系統(tǒng)級支持，性能杠杠的；缺點也比較多，一是和MR一樣因為原語過于低級，用MPI寫算法，往往代碼量比較大。另一方面是基于MPI的集群，如果某個任務(wù)失敗，往往需要重啟整個集群，而MPI集群的任務(wù)成功率并不高。阿里在[10]中給出了下圖：

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從圖中可以看出，MPI作業(yè)失敗的幾率接近五成。MPI也并不是完全沒有可取之處，正如沐帥所說，在超算集群上還是有場景的。對于工業(yè)屆依賴于云計算、依賴于commodity計算機來說，則顯得性價比不夠高。當然如果在參數(shù)服務(wù)器的框架下，對單組worker再使用MPI未嘗不是個好的嘗試，[10]的鯤鵬系統(tǒng)正式這么設(shè)計的。

3. 參數(shù)服務(wù)器演進

3.1 歷史演進

沐帥在[12]中將參數(shù)服務(wù)器的歷史劃分為三個階段，第一代參數(shù)服務(wù)器萌芽于沐帥的導(dǎo)師Smola的[11]，如下圖所示：

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這個工作中僅僅引入memcached來存放key-value數(shù)據(jù)，不同的處理進程并行對其進行處理。[13]中也有類似的想法，第二代參數(shù)服務(wù)器叫application-specific參數(shù)服務(wù)器，主要針對特定應(yīng)用而開發(fā)，其中最典型的代表應(yīng)該是tensorflow的前身[6]。

第三代參數(shù)服務(wù)器，也即是通用參數(shù)服務(wù)器框架是由百度少帥李沐正式提出的，和前兩代不同，第三代參數(shù)服務(wù)器從設(shè)計上就是作為一個通用大規(guī)模機器學習框架來定位的。要擺脫具體應(yīng)用、算法的束縛，做一個通用的大規(guī)模機器學習框架，首先就要定義好框架的功能；而所謂框架，往往就是把大量重復(fù)的、瑣碎的、做了一次就不想再來第二次的臟活、累活進行良好而優(yōu)雅的封裝，讓使用框架的人可以只關(guān)注與自己的核心邏輯。第三代參數(shù)服務(wù)器要對那些功能進行封裝呢？沐帥總結(jié)了這幾點，我照搬如下：

1）高效的網(wǎng)絡(luò)通信：因為不管是模型還是樣本都十分巨大，因此對網(wǎng)絡(luò)通信的高效支持以及高配的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是大規(guī)模機器學習系統(tǒng)不可缺少的；

2）靈活的一致性模型：不同的一致性模型其實是在模型收斂速度和集群計算量之間做tradeoff；要理解這個概念需要對模型性能的評價做些分析，暫且留到下節(jié)再介紹。

3）彈性可擴展：顯而易見

4）容災(zāi)容錯：大規(guī)模集群協(xié)作進行計算任務(wù)的時候，出現(xiàn)Straggler或者機器故障是非常常見的事，因此系統(tǒng)設(shè)計本身就要考慮到應(yīng)對；沒有故障的時候，也可能因為對任務(wù)時效性要求的變化而隨時更改集群的機器配置。這也需要框架能在不影響任務(wù)的情況下能做到機器的熱插拔。

5）易用性：主要針對使用框架進行算法調(diào)優(yōu)的工程師而言，顯然，一個難用的框架是沒有生命力的。

在正式介紹第三代參數(shù)服務(wù)器的主要技術(shù)之前，先從另一個角度來看下大規(guī)模機器學習框架的演進

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這張圖可以看出，在參數(shù)服務(wù)器出來之前，人們已經(jīng)做了多方面的并行嘗試，不過往往只是針對某個特定算法或特定領(lǐng)域，比如YahooLDA是針對LDA算法的。當模型參數(shù)突破十億以后，則可以看出參數(shù)服務(wù)器一統(tǒng)江湖，再無敵手。

首先我們看看第三代參數(shù)服務(wù)器的基本架構(gòu)

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上圖的resource manager可以先放一放，因為實際系統(tǒng)中這部分往往是復(fù)用現(xiàn)有的資源管理系統(tǒng)，比如yarn或者mesos；底下的training data毋庸置疑的需要類似GFS的分布式文件系統(tǒng)的支持；剩下的部分就是參數(shù)服務(wù)器的核心組件了。

圖中畫了一個server group和三個worker group；實際應(yīng)用中往往也是類似，server group用一個，而worker group按需配置；server manager是server group中的管理節(jié)點，一般不會有什么邏輯，只有當有server node加入或退出的時候，為了維持一致性哈希而做一些調(diào)整。

Worker group中的task schedule則是一個簡單的任務(wù)協(xié)調(diào)器，一個具體任務(wù)運行的時候，task schedule負責通知每個worker加載自己對應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后去server node上拉取一個要更新的參數(shù)分片，用本地數(shù)據(jù)樣本計算參數(shù)分片對應(yīng)的變化量，然后同步給server node；server node在收到本機負責的參數(shù)分片對應(yīng)的所有worker的更新后，對參數(shù)分片做一次update。

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如圖所示，不同的worker同時并行運算的時候，可能因為網(wǎng)絡(luò)、機器配置等外界原因，導(dǎo)致不同的worker的進度是不一樣的，如何控制worker的同步機制是一個比較重要的課題。詳見下節(jié)分解。

3.2同步協(xié)議

本節(jié)假設(shè)讀者已經(jīng)對隨機梯度優(yōu)化算法比較熟悉，如果不熟悉的同學請參考吳恩達經(jīng)典課程機器學習中對SGD的介紹，或者我之前多次推薦過的書籍《最優(yōu)化導(dǎo)論》。

我們先看一個單機算法的運行過程，假設(shè)一個模型的參數(shù)切分成三個分片k1，k2，k3；比如你可以假設(shè)是一個邏輯回歸算法的權(quán)重向量被分成三段。我們將訓練樣本集合也切分成三個分片s1，s2，s3；在單機運行的情況下，我們假設(shè)運行的序列是（k1，s1）、（k2，s1）、（k3、s1）、（k1、s2）、（k2、s2）、（k3、s2）。。。看明白了嗎？就是假設(shè)先用s1中的樣本一次對參數(shù)分片k1、k2、k3進行訓練，然后換s2；這就是典型的單機運行的情況，而我們知道這樣的運行序列最后算法會收斂。

現(xiàn)在我們開始并行化，假設(shè)k1、k2、k3分布在三個server node上，s1、s2、s3分布在三個worker上，這時候如果我們還要保持之前的計算順序，則會變成怎樣？work1計算的時候，work2和worker3只能等待，同樣worker2計算的時候，worker1和work3都得等待，以此類推；可以看出這樣的并行化并沒有提升性能；但是也算簡單解決了超大規(guī)模模型的存儲問題。

為了解決性能的問題，業(yè)界開始探索這里的一致性模型，最先出來的版本是前面提到的[11]中的ASP模式，就是完全不顧worker之間的順序，每個worker按照自己的節(jié)奏走，跑完一個迭代就update，然后繼續(xù)，這應(yīng)該是大規(guī)模機器學習中的freestyle了，如圖所示

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ASP的優(yōu)勢是最大限度利用了集群的計算能力，所有的worker所在的機器都不用等待，但缺點也顯而易見，除了少數(shù)幾個模型，比如LDA，ASP協(xié)議可能導(dǎo)致模型無法收斂。也就是SGD徹底跑飛了，梯度不知道飛到哪里去了。

在ASP之后提出了另一種相對極端的同步協(xié)議BSP，spark用的就是這種方式，如圖所示

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每個worker都必須在同一個迭代運行，只有一個迭代任務(wù)所有的worker都完成了，才會進行一次worker和server之間的同步和分片更新。這個算法和嚴格一直的算法非常類似，區(qū)別僅僅在于單機版本的batch size在BSP的時候變成了有所有worker的單個batch size求和得到的總的butch size替換。毫無疑問，BSP的模式和單機串行因為僅僅是batch size的區(qū)別，所以在模型收斂性上是完全一樣的。同時，因為每個worker在一個周期內(nèi)是可以并行計算的，所以有了一定的并行能力。

以此協(xié)議為基礎(chǔ)的spark在很長時間內(nèi)成為機器學習領(lǐng)域?qū)嶋H的霸主，不是沒有理由的。此種協(xié)議的缺陷之處在于，整個worker group的性能由其中最慢的worker決定；這個worker一般稱為straggler。讀過GFS文章的同學應(yīng)該都知道straggler的存在是非常普遍的現(xiàn)象。

能否將ASP和BSP做一下折中呢？答案當然是可以的，這就是目前我認為最好的同步協(xié)議SSP；SSP的思路其實很簡單，既然ASP是允許不同worker之間的迭代次數(shù)間隔任意大，而BSP則只允許為0，那我是否可以取一個常數(shù)s？如圖所示

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不同的worker之間允許有迭代的間隔，但這個間隔數(shù)不允許超出一個指定的數(shù)值s，圖中s=3.

SSP協(xié)議的詳細介紹參見[14]，CMU的大拿Eric Xing在其中詳細介紹了SSP的定義，以及其收斂性的保證。理論推導(dǎo)證明常數(shù)s不等于無窮大的情況下，算法一定可以在若干次迭代以后進入收斂狀態(tài)。其實在Eric提出理論證明之前，工業(yè)界已經(jīng)這么嘗試過了：）

順便提一句，考察分布式算法的性能，一般會分為statistical performance和hard performance來看。前者指不同的同步協(xié)議導(dǎo)致算法收斂需要的迭代次數(shù)的多少，后者是單次迭代所對應(yīng)的耗時。兩者的關(guān)系和precision\recall關(guān)系類似，就不贅述了。有了SSP，BSP就可以通過指定s=0而得到。而ASP同樣可以通過制定s=∞來達到。

3.3核心技術(shù)

除了參數(shù)服務(wù)器的架構(gòu)、同步協(xié)議之外，本節(jié)再對其他技術(shù)做一個簡要的介紹，詳細的了解請直接閱讀沐帥的博士論文和相關(guān)發(fā)表的論文。

熱備、冷備技術(shù)：為了防止server node掛掉，導(dǎo)致任務(wù)中斷，可以采用兩個技術(shù)，一個是對參數(shù)分片進行熱備，每個分片存儲在三個不同的server node中，以master-slave的形式存活。如果master掛掉，可以快速從slave獲取并重啟相關(guān)task。

除了熱備，還可以定時寫入checkpoint文件到分布式文件系統(tǒng)來對參數(shù)分片及其狀態(tài)進行備份。進一步保證其安全性。

Server node管理：可以使用一致性哈希技術(shù)來解決server node的加入和退出問題，如圖所示

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當有server node加入或退出的時候，server manager負責對參數(shù)進行重新分片或者合并。注意在對參數(shù)進行分片管理的情況下，一個分片只需要一把鎖，這大大提升了系統(tǒng)的性能，也是參數(shù)服務(wù)器可以實用的一個關(guān)鍵點。

4. 大規(guī)模機器學習的四重境界

到這里可以回到我們的標題了，大規(guī)模機器學習的四重境界到底是什么呢？

這四重境界的劃分是作者個人閱讀總結(jié)的一種想法，并不是業(yè)界標準，僅供大家參考。

境界1：參數(shù)可單機存儲和更新

此種境界較為簡單，但仍可以使用參數(shù)服務(wù)器，通過數(shù)據(jù)并行來加速模型的訓練。

境界2：參數(shù)不可單機存儲，可以單機更新

此種情況對應(yīng)的是一些簡單模型，比如sparse logistic regression；當feature的數(shù)量突破百億的時候，LR的權(quán)重參數(shù)不太可能在一臺機器上完全存下，此時必須使用參數(shù)服務(wù)器架構(gòu)對模型參數(shù)進行分片。但是注意一點，SGD的更新公式

w’=w-α，其中可以分開到單個維度進行計算，但是單個維度的wi=f(w)xi

這里的f(w)表示是全部參數(shù)w的一個函數(shù)，具體推倒比較簡單，這里篇幅所限就不贅述了。只是想說明worker在計算梯度的時候可能需要使用到上一輪迭代的所有參數(shù)。而我們之所以對參數(shù)進行分片就是因為我們無法將所有參數(shù)存放到一臺機器，現(xiàn)在單個worker有需要使用所有的參數(shù)才能計算某個參數(shù)分片的梯度，這不是矛盾嗎？可能嗎？

答案是可能的，因為單個樣本的feature具有很高的稀疏性（sparseness）。例如一個百億feature的模型，單個訓練樣本往往只在其中很小一部分feature上有取值，其他都為0（假設(shè)feature取值都已經(jīng)離散化了）。因此計算f(w)的時候可以只拉取不為0的feature對應(yīng)的那部分w即可。有文章統(tǒng)計一般這個級別的系統(tǒng)，稀疏性往往在0.1%（or 0.01%，記得不是很準，大致這樣）以下。這樣的稀疏性，可以讓單機沒有任何阻礙的計算f(w)。

目前公司開源的angel和AILab正在做的系統(tǒng)都處于這個境界。而原生spark還沒有達到這個境界，只能在中小規(guī)模的圈子里廝混。Angel改造的基于Angel的Spark則達到了這個境界。

境界3：參數(shù)不可單機存儲，不可單機更新，但無需模型并行

境界3順延境界2二來，當百億級feature且feature比較稠密的時候，就需要計算框架進入到這層境界了，此時單個worker的能力有限，無法完整加載一個樣本，也無法完整計算f(w)。怎么辦呢？其實很簡單，學過線性代數(shù)的都知道，矩陣可以分塊。向量是最簡單的矩陣，自然可以切成一段一段的來計算。只是調(diào)度器需要支持算符分段而已了。

境界4：參數(shù)不可單機存儲，不可單機更新，需要模型并行

進入到這個層次的計算框架，可以算是世界一流了。可以處理超大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這也是最典型的應(yīng)用場景。此時不僅模型的參數(shù)不能單機存儲，而且同一個迭代內(nèi)，模型參數(shù)之間還有強的依賴關(guān)系，可以參見姐夫?qū)istbelief的介紹里的模型切分。

此時首先需要增加一個coordinator組件來進行模型并行的concurrent控制。同時參數(shù)服務(wù)器框架需要支持namespace切分，coordinator將依賴關(guān)系通過namespace來進行表示。

一般參數(shù)間的依賴關(guān)系因模型而已，所以較難抽象出通用的coordinator來，而必須以某種形式通過腳本parser來生產(chǎn)整個計算任務(wù)的DAG圖，然后通過DAG調(diào)度器來完成。對這個問題的介紹可以參考Erix Xing的分享[5]。

Tensorflow

目前業(yè)界比較知名的深度學習框架有Caffee、MXNet、Torch、Keras、Theano等，但目前最炙手可熱的應(yīng)該是google發(fā)布的Tensorflow。這里單獨拿出來稍微分解下。

前面不少圖片引自此文，從TF的論文來看，TF框架本身是支持模型并行和數(shù)據(jù)并行的，內(nèi)置了一個參數(shù)服務(wù)器模塊，但從開源版本所曝光的API來看，TF無法用來10B級別feature的稀疏LR模型。原因是已經(jīng)曝光的API只支持在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不同層和層間進行參數(shù)切分，而超大規(guī)模LR可以看做一個神經(jīng)單元，TF不支持單個神經(jīng)單元參數(shù)切分到多個參數(shù)服務(wù)器node上。

當然，以google的實力，絕對是可以做到第四重境界的，之所以沒有曝光，可能是基于其他商業(yè)目的的考量，比如使用他們的云計算服務(wù)。

綜上，個人認為如果能做到第四重境界，目前可以說的上是世界一流的大規(guī)模機器學習框架。僅從沐帥的ppt里看他曾經(jīng)達到過，google內(nèi)部應(yīng)該也是沒有問題的。第三重境界應(yīng)該是國內(nèi)一流，第二充應(yīng)該是國內(nèi)前列吧。

5. 其他

5.1 資源管理

本文沒有涉及到的部分是資源管理，大規(guī)模機器學習框架部署的集群往往資源消耗也比較大，需要專門的資源管理工具來維護。這方面yarn和mesos都是佼佼者，細節(jié)這里也就不介紹了。

5.2 設(shè)備

除了資源管理工具，本身部署大規(guī)模機器學習集群本身對硬件也還是有些要求的，雖然理論上來說，所有commodity機器都可以用來搭建這類集群，但是考慮到性能，我們建議盡量用高內(nèi)存的機器+萬兆及以上的網(wǎng)卡。沒有超快速的網(wǎng)卡，玩參數(shù)傳遞和樣本加載估計會比較苦逼。

6. 結(jié)語

從后臺轉(zhuǎn)算法以來，長期沉浸于算法推理的論文無法自拔，對自己之前的后臺工程能力漸漸輕視起來，覺得工程對算法的幫助不大。直到最近一個契機，需要做一個這方面的調(diào)研，才豁然發(fā)現(xiàn)，之前的工程經(jīng)驗對我理解大規(guī)模機器學習框架非常有用，果然如李宗盛所說，人生每一步路，都不是白走的。

在一個月左右的調(diào)研中，腦子每天都充斥這各種疑問和困惑，曾經(jīng)半夜4點醒來，思考同步機制而再也睡不著，干脆起來躲衛(wèi)生間看書，而那天我一點多才睡。當腦子里有放不下的問題的時候，整個人會處于一種非?？簥^的狀態(tài)，除非徹底想清楚這個問題，否則失眠是必然的，上一次這種狀態(tài)已經(jīng)是很多年前了。好在最后我總算理清了這方面的所有關(guān)鍵細節(jié)。以此，記之。Carbon zhang于2017年8月26日凌晨！

致謝

感謝wills、janwang、joey、roberty、suzi等同學一起討論，特別感謝burness在TF方面的深厚造詣和調(diào)研。因為本人水平所限，錯漏難免，另外還有相當多的細節(jié)因為篇幅限制并未一一展開，僅僅是從較高抽象層面上簡述了下大規(guī)模機器學習框架的關(guān)鍵思路，其他如分片向量鎖、通信協(xié)議、時鐘邏輯、DAG調(diào)度器、資源調(diào)度模塊等均為展開來講，希望以后有機會能補上。

引用

1. Wide& Deep Learning for Recommender Systems

2. Deep Neural Networks for YouTube Recommendations
3. https://www.zhihu.com/question/53851014

4. TensorFlow:Large-Scale Machine Learning on Heterogeneous Distributed Systems

6. Large Scale Distributed Deep Networks

7. MapReduce: Simplified Data Processing on Large
Clusters

8. Resilient Distributed Datasets: A Fault-Tolerant Abstraction for In-Memory Cluster Computing

9. https://www.zhihu.com/question/55119470

10. KunPeng:Parameter Server based Distributed Learning Systems and Its Applications in
Alibaba and Ant Financial

11. An Architecture for Parallel Topic Models

12. Scaling Distributed Machine Learning with the Parameter Server

13. Piccolo:Building fast, distributed pro- grams with partitioned tables