ICML 2024 | 梯度检查点太慢？不降速、省显存，LowMemoryBP大幅提升反向传播显存效率
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本文论文一作是南开大学统计与数据科学学院研二硕士生杨雨辰，指导老师为南开大学统计与数据科学学院的徐君副教授。徐君老师团队的研究重点是计算机视觉、生成式 AI 和高效机器学习，并在顶级会议和期刊上发表了多篇论文，谷歌学术引用超过 4700 次。
自从大型 Transformer 模型逐渐成为各个领域的统一架构，微调就成为了将预训练大模型应用到下游任务的重要手段。然而，由于模型的尺寸日益增大，微调所需要的显存也逐渐增加，如何高效地降低微调显存就成了一个重要的问题。此前，微调 Transformer 模型时，为了节省显存开销，通常的做法是使用梯度检查点（gradient checkpointing，也叫作激活重算），以牺牲训练速度为代价降低反向传播（Backpropagation, BP）过程中的激活显存占用。
最近，由南开大学统计与数据科学学院徐君老师团队发表在 ICML 2024 上的论文《Reducing Fine-Tuning Memory Overhead by Approximate and Memory-Sharing Backpropagation》提出通过更改反向传播（BP）过程，在不增加计算量的情况下，显著减少峰值激活显存占用。
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论文：Reducing Fine-Tuning Memory Overhead by Approximate and Memory-Sharing Backpropagation
文章提出了两种反向传播改进策略，分别是 Approximate Backpropagation（Approx-BP）和 Memory-Sharing Backpropagation（MS-BP）。Approx-BP 和 MS-BP 分别代表了两种提升反向传播中内存效率的方案，可以将其统称为 LowMemoryBP。无论是在理论还是实践意义上，文章都对更高效的反向传播训练提供了开创性的指导。
在理论显存分析中，LowMemoryBP 可以大幅降低来自激活函数和标准化层的激活显存占用，以 ViT 和 LLaMA 为例，可以对 ViT 微调降低 39.47% 的激活显存，可以对 LLaMA 微调降低 29.19% 的激活显存。
在实际实验中，LowMemoryBP 可以有效地使包括 ViT, LLaMA, RoBERTa, BERT, Swin 在内的 Transformer 模型微调峰值显存占用降低 20%~30%，并且不会带来训练吞吐量和测试精度的损失。
Approx-BP
在传统反向传播训练中，激活函数梯度的反向回传是严格对应其导函数的，对于 Transformer 模型中常用的 GELU 和 SiLU 函数，这意味着需要将输入特征张量完整地存入激活显存中。而本文的作者提出了一套反向传播近似理论，即 Approx-BP 理论。在该理论的指导下，作者使用分段线性函数逼近激活函数，并用分段线性函数的导数（阶梯函数）替代 GELU/SiLU 梯度的反向回传。这个方法导出了两个非对称的内存高效激活函数：ReGELU2 和 ReSiLU2。这类激活函数由于使用 4 段阶梯函数进行反向回传，从而使得激活存储只需要使用 2bit 数据类型。
MS-BP
BP 网络每一层通常都会将输入张量存入激活显存以用作反向传播计算。作者指出如果可以将某一层的反向传播改写成依赖输出的形式，那么这一层和后一层就可以共享同一个激活张量，从而降低激活存储的冗余。
而文章指出 Transformer 模型中常用的 LayerNorm 和 RMSNorm，在将仿射参数合并到后一层的线性层之后，可以很好地符合 MS-BP 策略的要求。经过重新设计的 MS-LayerNorm 和 MS-RMSNorm 不再产生独立的激活显存。
实验结果
作者对计算机视觉和自然语言处理领域的若干个代表模型进行了微调实验。其中，在 ViT，LLaMA 和 RoBERTa 的微调实验中，文章提出的方法分别将峰值显存占用降低了 27%，29% 和 21%，并且没有带来训练效果和训练速度的损失。注意到，作为对比的 Mesa（一个 8-bit Activation Compressed Training 方法）使训练速度降低了约 20%，而文章提出的 LowMemoryBP 方法则完全保持了训练速度。
结论及意义
文章提出的两种 BP 改进策略，Approx-BP 和 MS-BP，均在保持训练效果和训练速度的同时，实现了激活显存的显著节省。这意味着从 BP 原理上进行优化是非常有前景的显存节省方案。此外，文章提出的 Approx-BP 理论突破了传统神经网络的优化框架，为使用非配对导数提供了理论可行性。其导出的 ReGELU2 和 ReSiLU2 展现了这一做法的重要实践价值。
欢迎大家阅读论文或者代码去了解算法的详细细节，LowMemoryBP 项目的 github 仓库上已经开源相关的模块。
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