一文看懂AI大模型的并行訓(xùn)練方式（DP、PP、TP、EP）

大家都知道，AI計(jì)算（尤其是模型訓(xùn)練和推理），主要以并行計(jì)算為主。

AI計(jì)算中涉及到的很多具體算法（例如矩陣相乘、卷積、循環(huán)層、梯度運(yùn)算等），都需要基于成千上萬(wàn)的GPU，以并行任務(wù)的方式去完成。這樣才能有效縮短計(jì)算時(shí)間。

搭建并行計(jì)算框架，一般會(huì)用到以下幾種常見(jiàn)的并行方式：

Data Parallelism，數(shù)據(jù)并行

Pipeline Parallelism，流水線并行

Tensor Parallelism，張量并行

Expert Parallelism, 專家并行

接下來(lái)，我們逐一看看，這些并行計(jì)算方式的工作原理。

▉ DP（數(shù)據(jù)并行）

首先看看DP，數(shù)據(jù)并行（Data Parallelism）。

AI訓(xùn)練使用的并行，總的來(lái)說(shuō)，分為數(shù)據(jù)并行和模型并行兩類。剛才說(shuō)的PP（流水線并行）、TP（張量并行）和EP（專家并行），都屬于模型并行，待會(huì)再介紹。

這里，我們需要先大概了解一下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，包括以下主要步驟：

1、前向傳播：輸入一批訓(xùn)練數(shù)據(jù)，計(jì)算得到預(yù)測(cè)結(jié)果。

2、計(jì)算損失：通過(guò)損失函數(shù)比較預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)標(biāo)簽的差距。

3、反向傳播：將損失值反向傳播，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)參數(shù)的梯度。

4、梯度更新：優(yōu)化器使用這些梯度來(lái)更新所有的權(quán)重和偏置（更新參數(shù)）。

以上過(guò)程循環(huán)往復(fù)，直到模型的性能達(dá)到令人滿意的水平。訓(xùn)練就完成了。

我們回到數(shù)據(jù)并行。

數(shù)據(jù)并行是大模型訓(xùn)練中最為常見(jiàn)的一種并行方式（當(dāng)然，也適用于推理過(guò)程）。

它的核心思想很簡(jiǎn)單，就是每個(gè)GPU都擁有完整的模型副本，然后，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)劃分成多個(gè)小批次（mini-batch），每個(gè)批次分配給不同的GPU進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)并行的情況下，大模型訓(xùn)練的過(guò)程是這樣的：

1、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均勻切割，發(fā)給不同的、并行工作的GPU（Worker）；

2、各GPU都擁有一樣的模型以及模型參數(shù)，它們各自獨(dú)立進(jìn)行前向傳播、反向傳播，計(jì)算得到各自的梯度；

3、各GPU通過(guò)卡間通信，以All-Reduce的通信方式，將梯度推給一個(gè)類似管理者的GPU（Server）；

4、Server GPU對(duì)所有梯度進(jìn)行求和或者平均，得到全局梯度；

5、Server GPU將全局梯度回傳（broadcast廣播）到每個(gè)Worker GPU，進(jìn)行參數(shù)更新（更新本地模型權(quán)重）。更新后，所有worker GPU模型參數(shù)保持一致。

然后，再繼續(xù)重復(fù)這樣的過(guò)程，直至完成所有的訓(xùn)練。

再來(lái)一張圖，幫助理解：

從下往上看

這里提到的All-Reduce，也是一個(gè)AI領(lǐng)域的常見(jiàn)概念，字面意思是“全（All）-規(guī)約（Reduce）”，即：對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合（如求和、求最大值），并將最終結(jié)果分發(fā)到所有節(jié)點(diǎn)。（參考：）

數(shù)據(jù)并行的優(yōu)點(diǎn)，在于實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，能夠顯著加速大規(guī)模數(shù)據(jù)的訓(xùn)練過(guò)程，尤其適用于數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于模型參數(shù)的場(chǎng)景。

數(shù)據(jù)并行的缺點(diǎn)，在于顯存的限制。因?yàn)槊總€(gè)GPU上都有完整的模型副本，而當(dāng)模型的規(guī)模和參數(shù)越大，所需要的顯存就越大，很可能超過(guò)單個(gè)GPU的顯存大小。

數(shù)據(jù)并行的通信開銷也比較大。不同GPU之間需要頻繁通信，以同步模型參數(shù)或梯度。而且，模型參數(shù)規(guī)模越大，GPU數(shù)量越多，這個(gè)通信開銷就越大。例如，對(duì)于千億參數(shù)模型，單次梯度同步需傳輸約2TB數(shù)據(jù)（FP16精度下）。

▉ ZeRO

這里要插播介紹一個(gè)概念——ZeRO（Zero Redundancy Optimizer，零冗余優(yōu)化器）。

在數(shù)據(jù)并行策略中，每個(gè)GPU的內(nèi)存都保存一個(gè)完整的模型副本，很占內(nèi)存空間。那么，能否每個(gè)GPU只存放模型副本的一部分呢？

沒(méi)錯(cuò)，這就是ZeRo——通過(guò)對(duì)模型副本中的優(yōu)化器狀態(tài)、梯度和參數(shù)進(jìn)行切分，來(lái)實(shí)現(xiàn)減少對(duì)內(nèi)存的占用。

ZeRO有3個(gè)階段，分別是：

ZeRO-1：對(duì)優(yōu)化器狀態(tài)進(jìn)行劃分。

ZeRO-2：對(duì)優(yōu)化器狀態(tài)和梯度進(jìn)行劃分

ZeRO-3：對(duì)優(yōu)化器狀態(tài)、梯度和參數(shù)進(jìn)行劃分。（最節(jié)省顯存）

通過(guò)下面的圖和表，可以看得更明白些：

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，ZeRO-3在1024塊GPU上訓(xùn)練萬(wàn)億參數(shù)模型時(shí)，顯存占用從7.5TB降至7.3GB/卡。

值得一提的是，DP還有一個(gè)DDP（分布式數(shù)據(jù)并行）。傳統(tǒng)DP一般用于單機(jī)多卡場(chǎng)景。而DDP能多機(jī)也能單機(jī)。這依賴于Ring-AllReduce，它由百度最先提出，可以有效解決數(shù)據(jù)并行中通信負(fù)載不均（Server存在瓶頸）的問(wèn)題。

▉ PP（流水線并行）

再來(lái)看看模型并行。

剛才數(shù)據(jù)并行，是把數(shù)據(jù)分為好幾個(gè)部分。模型并行，很顯然，就是把模型分為好幾個(gè)部分。不同的GPU，運(yùn)行不同的部分。（注意：業(yè)界對(duì)模型并行的定義有點(diǎn)混亂。也有的資料會(huì)將張量并行等同于模型并行。）

流水線并行，是將模型的不同層（單層，或連續(xù)的多層）分配到不同的GPU上，按順序處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)流水線式的并行計(jì)算。

例如，對(duì)于一個(gè)包含7層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將1~2層放在第一個(gè)GPU上，3~5層放在第二個(gè)GPU上，6~7層放在第三個(gè)GPU上。訓(xùn)練時(shí)，數(shù)據(jù)按照順序，在不同的GPU上進(jìn)行處理。

乍一看，流水并行有點(diǎn)像串行。每個(gè)GPU需要等待前一個(gè)GPU的計(jì)算結(jié)果，可能會(huì)導(dǎo)致大量的GPU資源浪費(fèi)。

上面這個(gè)圖中，黃色部分就是Bubble （氣泡）時(shí)間。氣泡越多，代表GPU處于等待狀態(tài)（空閑狀態(tài)）越長(zhǎng)，資源浪費(fèi)越嚴(yán)重。

為了解決上述問(wèn)題，可以將mini-batch的數(shù)據(jù)進(jìn)一步切分成micro-batch數(shù)據(jù)。當(dāng)GPU 0處理完一個(gè)micro-batch數(shù)據(jù)后，緊接著開始處理下一個(gè)micro-batch數(shù)據(jù)，以此來(lái)減少GPU的空閑時(shí)間。如下圖（b）所示：

還有，在一個(gè)micro-batch完成前向計(jì)算后，提前調(diào)度，完成相應(yīng)的反向計(jì)算，這樣就能釋放部分顯存，用以接納新的數(shù)據(jù)，提升整體訓(xùn)練性能。如上圖（c）所示。

這些方法，都能夠顯著減少流水線并行的Bubble時(shí)間。

對(duì)于流水線并行，需要對(duì)任務(wù)調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行精確管理，否則可能導(dǎo)致流水線阻塞，以及產(chǎn)生更多的Bubble時(shí)間。

▉ TP（張量并行）

模型并行的另外一種，是張量并行。

如果說(shuō)流水線并行是將一個(gè)模型按層「垂直」分割，那么，張量并行則是在一個(gè)層內(nèi)「橫向」分割某些操作。

具體來(lái)說(shuō)，張量并行是將模型的張量（如權(quán)重矩陣）按維度切分到不同的GPU上運(yùn)行的并行方式。

張量切分方式分為按行進(jìn)行切分和按列進(jìn)行切分，分別對(duì)應(yīng)行并行（Row Parallelism）（權(quán)重矩陣按行分割）與列并行（Column Parallelism）（權(quán)重矩陣按列分割）。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理切分后的子張量。最后，通過(guò)集合通信操作（如All-Gather或All-Reduce）來(lái)合并結(jié)果。

張量并行的優(yōu)點(diǎn)，是適合單個(gè)張量過(guò)大的情況，可以顯著減少單個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存占用。

張量并行的缺點(diǎn)，是當(dāng)切分維度較多的時(shí)候，通信開銷比較大。而且，張量并行的實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為復(fù)雜，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)切分方式和通信策略。

放一張數(shù)據(jù)并行、流水線并行、張量并行的簡(jiǎn)單對(duì)比：

▉ 專家并行

2025年初DeepSeek爆紅的時(shí)候，有一個(gè)詞也跟著火了，那就是MoE（Mixture of Experts，混合專家模型）。

MoE模型的核心是“多個(gè)專家層+路由網(wǎng)絡(luò)（門控網(wǎng)絡(luò)）”。

專家層的每個(gè)專家負(fù)責(zé)處理特定類型的token（如語(yǔ)法、語(yǔ)義相關(guān)）。路由網(wǎng)絡(luò)根據(jù)輸入token的特征，選擇少數(shù)專家處理這個(gè)token，其他專家不激活。

MoE實(shí)現(xiàn)了任務(wù)分工、按需分配算力，因此大幅提升了模型效率。

專家并行（Expert Parallelism），是MoE（混合專家模型）中的一種并行計(jì)算策略。它通過(guò)將專家（子模型）分配到不同的GPU上，實(shí)現(xiàn)計(jì)算負(fù)載的分布式處理，提高計(jì)算效率。

專家并行與之前所有的并行相比，最大的不同在于，輸入數(shù)據(jù)需要通過(guò)一個(gè)動(dòng)態(tài)的路由選擇機(jī)制分發(fā)給相應(yīng)專家，此處會(huì)涉及到一個(gè)所有節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)重分配的動(dòng)作。

然后，在所有專家處理完成后，又需要將分散在不同節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)按原來(lái)的次序整合起來(lái)。

這樣的跨片通信模式，稱為All-to-All。（再次參考：）

專家并行可能存在負(fù)載不均衡的問(wèn)題。某個(gè)專家所接收到的輸入數(shù)據(jù)大于了其所能接收的范圍，就可能導(dǎo)致Tokens不被處理或不能被按時(shí)處理，成為瓶頸。

所以，設(shè)計(jì)合理的門控機(jī)制和專家選擇策略，是部署專家并行的關(guān)鍵。

▉ 混合并行

在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是訓(xùn)練萬(wàn)億參數(shù)級(jí)別的超大模型時(shí)，幾乎不會(huì)只使用單一的并行策略，而是采用多維度的混合并行（結(jié)合使用多種并行策略）。

例如：

數(shù)據(jù)并行+張量并行：數(shù)據(jù)并行處理批量樣本，張量并行處理單樣本的大矩陣計(jì)算。

流水線并行+專家并行：流水線并行劃分模型層，專家并行劃分層內(nèi)專家模塊。

更高級(jí)的，是3D并行，通過(guò)“數(shù)據(jù)并行+張量并行+流水線并行”，實(shí)現(xiàn)三重拆分，是超大模型訓(xùn)練的主流方案。

3D并行

▉ 最后的話

好啦，以上就是關(guān)于DP、PP、TP、EP等并行訓(xùn)練方式的介紹。大家都看懂了沒(méi)？

并行計(jì)算方式其實(shí)非常復(fù)雜，剛才我們只是做了最簡(jiǎn)單的介紹。但在真實(shí)工作中，開發(fā)者無(wú)需了解具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，因?yàn)闃I(yè)界提供了例如DeepSpeed（微軟開源，支持3D并行+ZeRO內(nèi)存優(yōu)化）、Megatron-LM（NVIDIA開源，3D并行的標(biāo)桿）、FSDP等開源軟件，能夠讓開發(fā)者直接進(jìn)行大語(yǔ)言模型訓(xùn)練。

小棗君之所以要專門介紹并行訓(xùn)練方式，其實(shí)更多是為了幫助大家深入地理解算力集群架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

大家可以看到，不同的并行訓(xùn)練方式，有著不同的通信流量特點(diǎn)。算力集群整體架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，需要盡量去適配這些并行計(jì)算方式的流量特點(diǎn)，才能滿足模型訓(xùn)推任務(wù)的要求，實(shí)現(xiàn)更高的工作效率。

比如說(shuō)，數(shù)據(jù)并行，由于需要頻繁同步梯度信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高，需要確保網(wǎng)絡(luò)帶寬能夠滿足大量梯度數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)男枨?，避免因帶寬不足?dǎo)致通信延遲，影響訓(xùn)練效率。

流水線并行，大模型的每一段，在不同的服務(wù)器上以流水線的方式逐步計(jì)算，涉及到多個(gè)服務(wù)器“串起來(lái)”，就建議部署在比較靠近的服務(wù)器上（盡量部署在葉脊網(wǎng)絡(luò)的同一個(gè)leaf葉下）。

張量并行，通信數(shù)據(jù)量大，就建議部署在一臺(tái)服務(wù)器的多個(gè)GPU上進(jìn)行計(jì)算。

專家并行中，不同專家分配在不同GPU上，GPU間需要交換中間計(jì)算結(jié)果等信息，其通信流量特點(diǎn)取決于專家的數(shù)量以及數(shù)據(jù)交互的頻率等，也需要合理規(guī)劃GPU間的連接方式和通信路徑。

總之，在GPU算卡性能越來(lái)越難以提升的背景下，深入研究并行計(jì)算的設(shè)計(jì)，從架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)上挖掘潛力，是業(yè)界的必然選擇。

隨著AI浪潮的繼續(xù)發(fā)展，以后是否還會(huì)出現(xiàn)其它的并行訓(xùn)練方式呢？讓我們拭目以待吧！