Die neue Hopper-basierte NVIDIA H100 Tensor Core GPU

Die neue Hopper-basierte NVIDIA H100 Tensor Core GPU bietet herausragende Rechenleistung und Produktivität für Deep-Learning-Workloads. Sie verfügt über innovative Hardwarefunktionen wie FP8-Präzision, Transformer Engine und hochbandbreitigen HBM3-Speicher, die es Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglichen, Modelle schneller und effizienter zu trainieren und bereitzustellen.

Um diese Funktionen umfassend zu nutzen, müssen Softwarebibliotheken und Deep-Learning-Pipelines speziell angepasst werden, um diese Eigenschaften optimal auszuschöpfen. Dieser Artikel untersucht Wege zur Optimierung von Deep-Learning-Pipelines mit H100-GPUs.

Voraussetzungen

• Grundkenntnisse im Deep Learning: Verständnis von neuronalen Netzwerken, Trainingsprozessen und gängigen Deep-Learning-Frameworks wie TensorFlow oder PyTorch.
• Vertrautheit mit GPU-Architektur: Kenntnisse über GPU-Architekturen, einschließlich der H100, insbesondere ihrer Tensor Cores, Speicherhierarchie und Parallelverarbeitungskapazitäten.
• NVIDIA CUDA und NVIDIA cuDNN: Grundlegendes Verständnis von NVIDIA CUDA-Programmierung und NVIDIA cuDNN, da sie für die Anpassung und Optimierung GPU-beschleunigten Codes unerlässlich sind.
• Erfahrung mit Modelltraining und -inferenz: Vertrautheit mit dem Training und der Bereitstellung von Modellen, einschließlich Techniken wie Datenaugmentation, Transferlernen und Hyperparameter-Optimierung.
• Verständnis von Quantisierung und Mixed Precision Training: Wissen über Techniken wie Modellquantisierung, Mixed Precision Training (mit FP16 oder TF32) und deren Vorteile für die Leistungsoptimierung.
• Linux- und Befehlszeilenkompetenz: Vertrautheit mit Linux-Betriebssystemen und Befehlszeilentools zur Verwaltung von NVIDIA-Treibern, -Bibliotheken und Software wie Docker.
• Zugriff auf eine H100-GPU-Umgebung: Verfügbarkeit eines Systems mit einer H100-GPU, entweder vor Ort oder über Cloud-Plattformen wie DigitalOcean.

Verständnis der Hopper-Architektur und Verbesserungen der H100-GPU

• 4. Generation Tensor Cores: H100 Tensor Core GPUs unterstützen mehrere Präzisionen, einschließlich FP8, für hohe Durchsatzraten ohne Qualitätsverlust. Besonders geeignet für Mixed Precision Training.
• Transformer Engine: Die Transformer Engine beschleunigt Transformer-Modelle. Sie ermöglicht den dynamischen Wechsel zwischen FP8- und FP16-Präzision während des Trainings für maximale Geschwindigkeit und Genauigkeit. Besonders nützlich bei großen NLP-Modellen wie GPT-3 und BERT.
• HBM3-Speicher: Mit erhöhter Bandbreite kann der HBM3-Speicher größere Batch-Größen verarbeiten und so die Trainingszeit verkürzen.
• Multi-Instance GPU (MIG): Bis zu sieben MIG-Instanzen ermöglichen gleichzeitige Workloads mit Isolation.
• NVLink 4.0 und NVSwitch: Ermöglichen schnellere GPU-übergreifende Kommunikation für verteiltes Training großer Modelle.

Mixed Precision Training mit FP8 und FP16 nutzen

Mixed Precision GPU Training wird schon lange verwendet, um Deep Learning zu beschleunigen, und die H100 hebt dies mit FP8-Unterstützung auf die nächste Stufe. Modelle können mit niedrigeren Präzisionen (FP8 oder FP16) trainiert werden, um Rechenzeiten zu verkürzen, während für kritische Berechnungen eine höhere Präzision genutzt wird.

• Automatisches Mixed Precision (AMP): Nutzung von PyTorch torch.cuda.amp oder TensorFlow tf.keras.mixed_precision zur Automatisierung des Mixed Precision Trainings.
• Dynamisches Loss Scaling: Verhindert Unterläufe beim Training mit FP8 oder FP16 durch Skalierung der Verlustwerte.
• Nutzung der Transformer Engine: Die NVIDIA Transformer Engine optimiert die Präzisionsstufen für schnellere Berechnungen.

Optimierung des Speichermanagements

• Gradient Checkpointing: Reduziert den Speicherverbrauch, indem nur ausgewählte Aktivierungen gespeichert und andere bei Bedarf neu berechnet sind.
• Activation Offloading: Modelle wie DeepSpeed oder ZeRO lagern Aktivierungen in den CPU-Speicher aus, wenn man diese nicht aktiv nutzt.
• Effizientes Datenladen: Nutzung von NVIDIA DALI zur Reduzierung der CPU-GPU-Kommunikation.
• Speicher-Pooling und Fragmentierungsmanagement: CUDA Unified Memory minimiert Fragmentierung durch dynamische Speicherzuweisung.

Skalierung mit Multi-GPU- und Multi-Node-Training

Die Skalierung auf mehrere GPUs ist oft notwendig, um große Modelle oder Datensätze schnell zu trainieren. NVLink 4.0 und NVSwitch der H100 ermöglichen eine effiziente GPU-Kommunikation.

• Datenparallelismus: Verteilung von Datensätzen auf mehrere GPUs mit Synchronisierung der Gradienten.
• Modellparallelismus: Aufteilung großer Modelle auf mehrere GPUs.
• Hybrider Parallelismus: Kombination von Daten- und Modellparallelismus für optimale Skalierung.

Optimierung der GPU-übergreifenden Kommunikation

• Gradientenkompression: Reduziert den Kommunikationsaufwand durch Komprimierung der Gradienten.
• Überlappung von Kommunikation und Berechnung: Kommunikation läuft parallel zur Berechnung, um Leerlaufzeiten zu minimieren.

Feinabstimmung der Hyperparameter für Hopper-spezifische Konfigurationen

• Batch-Größen-Tuning: Größere Batches nutzen die Speicherbandbreite optimal.
• Skalierung der Lernrate: Erhöhung der Lernrate proportional zur Batch-Größe.
• Warmup-Strategien: Allmähliche Erhöhung der Lernrate für stabile Trainingsbedingungen.

Fazit

Dieser Artikel untersucht die Hardware- und Softwarefunktionen der NVIDIA H100. Durch die Nutzung von FP8-Präzision, Transformer Engine und HBM3-Speicher können Forscher Deep-Learning-Workflows optimieren und die Trainingszeiten verkürzen.