GPU与CPU的性能比较及影响因素

CPU的主要指标是主频和线程。

• Intel：后缀F表示无核显，后缀K代表可以超频，H代表移动端；
• AMD：后缀G代表有核显，后缀X代表加强版，后缀XT代表超级加强版。

CPU 常见计算操作：

数据加载、数据预处理、模型保存、loss 计算、评估指标计算、日志打印、指标上报、进度上报。

GPU任务处理流程

GPU 任务交替使用 CPU 和 GPU 进行计算，当 CPU 计算成为瓶颈时，GPU 会等待，GPU 利用率降低了。

GPU 性能主要依靠制程技术(nm)、GPU架构、线路设计、数字表示方式；

通常制程技术的进步只能让GPU的性能提高到原来的1.5或2倍，

GPU性能的提升主要是靠GPU架构和线路设计、数字表示方式的完善。

GPU的架构适合集群，GPU架构的更新同时更新集群方案。

• 计算量：即一个深度学习模型需要多少次计算才能完成一次前馈。
• 内存带宽：带宽影响计算速度，即GPU内存带宽是深度学习性能提升的主要瓶颈。

一般的算力评价指标：TFLOPS（具体分单精度、双精度、Tensor）；

在硬件架构相同的条件下，核越来以及带宽越高，性能就越好。

影响GPU性能：

英特尔的 CPU 有AVX，一条指令可以做 512bit 的浮点操作，换算成32位浮点就是16个OPs，CPU 每个时钟周期可以做一次浮点乘加，相当于两个浮点运算，一个时间周期有 32 个FLOP，乘以 CPU 频率及核数，12 核，3GHz 的英特尔 CPU 运算性能 12 * 32 * 3G = 1152GFLOPS，论文显示 GPU 可达到 200GFLOPS，性能瓶颈并不在计算单元上，而是访存；CPU 的访存比GPU 大，只要 CPU 的访存能放得下，CPU 完全可能比GPU快。当访存放不下时，就要比较内存带宽，GPU 比 CPU快，对小规模数据，CPU 处理快，大规模数据，GPU 处理快。

数据加载问题：

1. 数据存储与计算资源间物理距离过远；

2. 数据存储介质导致读写能力不同，不同存储介质读写性能：SSD > ceph > cfs-1.5 > hdfs > mdfs

优化：将数据先同步到本机 SSD，读本机 SSD 训练。本机 SSD 盘为“/dockerdata”，可先将其他介质下的数据同步到此盘下进行测试，排除存储介质的影响。

3. 小文件太多，文件 io 耗时太长；多个小文件是不连续存储，读取会浪费很多时间在寻道上，

优化：将数据打包成大文件，如将许多图片文件转成一个 hdf5/pth/lmdb/TFRecord 等大文件。

4. 未启用多进程并行读取数据；未设置 num_workers 等参数或设置不合理，导致 cpu 性能为发挥，卡住 GPU；优化：设置 torch.utils.data.DataLoader 方法的 num_workers 参数、tf.data.TFRecordDataset 方法的 num_parallel_reads 参数或者 tf.data.Dataset.map 的 num_parallel_calls 参数。

5. 未启用提前加载机制来实现 CPU 和 GPU 的并行；未设置 prefetch_factor 等参数或设置不合理，使 CPU 与 GPU 串行，CPU 运行时 GPU 利用率直接掉 0；优化：设置 torch.utils.data.DataLoader 方法的 prefetch_factor 参数 或者 tf.data.Dataset.prefetch()方法。prefetch_factor 表示每个 worker 提前加载的 sample 数量，Dataset.prefetch() 方法的参数 buffer_size 一般设置为：tf.data.experimental.AUTOTUNE，由TensorFlow 自动选择合适数值。

6. 未设置共享内存 pin_memory；未设置 torch.utils.data.DataLoader 方法的 pin_memory 或者设置成 False，则数据需从 CPU 传入到缓存 RAM 里面，再传输到 GPU 上；优化，如内存富裕，可设置 pin_memory=True，直接将数据映射到 GPU 的相关内存块上，省掉一点数据传输时间。

数据预处理问题：

1. 数据预处理逻辑复杂；数据预处理部分超过一个 for 循环，都不予 GPU 训练放到一起；

优化：设置 tf.data.Dataset.map 的 num_parallel_calls 参数，提高并行度，一般设置为 tf.data.experimental.AUTOTUNE，由 TensorFlow 自动选择合适的数值。

将部分数据预处理挪出训练任务，如对图片的归一化操作，提前开启一个 spark 分布式任务或者 cpu 任务处理好，再进行训练。

提前将预处理部分需要用到的配置文件加载到内存中，不需要每次计算读取。

关于查询操作，多使用 dict 加速查询操作，减少 for、while 循环，降低预处理复杂度。

利用 GPU 进行数据预处理；Nvidia DALI 是专门用于加速数据预处理过程的库，既支持 GPU 又支持 CPU；采用 DALI，将基于 CPU 的数据预处理流程改造成用 GPU 来计算。

模型保存问题：

1. 模型保存频繁；模型保存为 CPU 操作，频繁操作会导致 GPU 等待。

指标问题：

1. loss 计算复杂；含有 for 循环的复杂 loss 计算，导致 CPU 计算时间长，阻塞 GPU，该用低复杂度的 loss 或者使用多进程或多线程进行加速。

2. 指标上报频繁；CPU 和 GPU 频繁切换导致 GPU 利用率低；可抽样上报，如每 100/step 上报

日志问题：

1. 日志打印频繁；日志打印操作太频繁，CPU 和 GPU 频繁切换导致 GPU 利用率低；使用抽样打印，如每 100/step 打印一次。

分布式任务中 GPU 利用率低问题

分布式任务相比单机任务多了机器间通信环节。如扩展到多机后出现 GPU 利用率低，运行速度慢等问题，很可能是机器间通信时间太长导致的，可检测如下几项：

1. 机器节点是否处在同一 modules：机器节点处于不同 modules 时，多机间通信时间会长很多，deepspeed 组件已从平台层面增加调度到同一 modules 的策略，用户不需要操作。

2、多机时是否启用 GDRDMA：能否启用 GDRDMA 与 NCCL 版本有关，PyTorch1.7 自带 NCCL2.7.8 时，启动 GDRDMA 失败，此为 NCCL 高版本 bug，可使用的运行注入的方式来修复；使用 PyTorch1.6 自带 NCCL2.4.8 时，能够启用 GDRDMA。NCCL2.4.8 + 启用 GDRDMA 比 NCCL2.7.8 + 未启用 GDRDMA 提升了 4%。设置 export NCCL_DEBUG=INFO，查看日志中是否出现[receive] via NET/IB/0/GDRDMA 和 [send] via NET/IB/0/GDRDMA，出现则说明启用 GDRDMA 成功，否则失败。

3、pytorch 数据并行是否采用 DistributedDataParallel：PyTorch 里的数据并行训练，涉及 nn.DataParallel (DP) 和nn.parallel.DistributedDataParallel (DDP) ，推荐使用 nn.parallel.DistributedDataParallel (DDP)。

参考：

【他山之石】GPU 利用率低常见原因分析及优化 (qq.com)