TensorRT5 및 NVIDIA T4 GPU를 이용한 TensorFlow 추론 워크로드 실행

이 가이드에서는 Compute Engine에서 실행되는 NVIDIA TensorRT5 GPU를 이용해 대규모 워크로드에서 딥 러닝 추론을 실행하는 방법을 설명합니다.

시작하기 전에 알아두어야 할 몇 가지 필수 정보가 있습니다.

  • 딥 러닝 추론은 학습된 모델을 이용해 결과를 인식하고, 처리하고, 분류하는 머신러닝 프로세스의 한 단계입니다.
  • NVIDIA TensorRT는 딥 러닝 워크로드 실행에 최적화된 플랫폼입니다.
  • GPU는 머신러닝과 데이터 처리 같은 데이터 집약적인 워크로드의 속도를 높이는 데 사용됩니다. 다양한 NVIDIA GPU를 Compute Engine에서 사용할 수 있습니다. 이 가이드에서는 딥 러닝 추론 워크로드용으로 특별히 설계된 T4 GPU를 사용합니다.

목표

이 가이드에서는 다음 절차를 다룹니다.

  • 선행 학습된 그래프를 이용한 모델을 준비합니다.
  • 최적화 모드가 다양하게 갖춰진 모델의 추론 속도를 테스트합니다.
  • 커스텀 모델을 TensorRT로 변환합니다.
  • 다중 영역 클러스터를 설정합니다. 다중 영역 클러스터는 다음과 같이 구성됩니다.
    • Google 딥 러닝 VM 이미지를 기반으로 구축합니다. 이러한 이미지는 TensorFlow, TensorFlow Serving, TensorRT5와 함께 사전 설치됩니다.
    • 자동 확장을 사용 설정합니다. 이 가이드에서 자동 확장은 GPU 사용률을 바탕으로 합니다.
    • 부하 분산을 사용 설정합니다.
    • 방화벽을 사용 설정합니다.
  • 다중 영역 클러스터에서 추론 워크로드를 실행합니다.

가이드 설정의 대략적인 아키텍처 개요

비용

이 가이드를 실행하는 비용은 섹션에 따라 다릅니다.

모델을 준비하고 다양한 최적화 속도로 추론 속도를 테스트하는 데 예상되는 비용은 1일 기준 약 USD $22.34이며, 다음 사양을 기준으로 추정한 비용입니다.

  • VM 인스턴스 1개: n1-standard-8(vCPU: 8개, RAM 30GB)
  • NVIDIA Tesla T4 GPU 1개

다중 영역 클러스터를 설정하는 데 예상되는 비용은 1일 기준 약 USD $154.38이며, 다음 사양을 기준으로 추정한 비용입니다.

  • VM 인스턴스 2개: n1-standard-16(vCPU: 16개, RAM 60GB)
  • VM 인스턴스당 GPU NVIDIA Tesla T4 4개
  • VM 인스턴스당 100GB SSD
  • 전달 규칙 1개

이러한 비용은 가격 계산기를 이용해 추정했습니다.

시작하기 전에

프로젝트 설정

  1. Google 계정에 로그인합니다.

    아직 계정이 없으면 새 계정을 등록하세요.

  2. Google Cloud Platform 프로젝트를 선택하거나 만듭니다.

    리소스 관리 페이지로 이동

  3. Google Cloud Platform 프로젝트에 결제가 사용 설정되어 있는지 확인하세요.

    결제 사용 설정 방법 알아보기

  4. Compute Engine 및 Cloud 머신러닝 APIs를 사용 설정합니다.

    APIs 사용 설정

도구 설정

이 가이드의 gcloud 명령줄 도구를 사용하려면 다음 안내를 따르세요.

  1. gcloud 명령줄 도구 최신 버전을 설치하거나 업데이트합니다.
  2. (선택사항)기본 리전 및 영역을 설정합니다.

모델 준비

이 섹션에서는 모델을 실행하기 위해 사용되는 가상 머신(VM) 인스턴스 생성을 설명합니다. 또한 TensorFlow 공식 모델 카탈로그에서 모델을 다운로드하는 방법도 설명합니다.

  1. VM 인스턴스를 만듭니다.

    export IMAGE_FAMILY="tf-1-12-cu100"
    export ZONE="us-central1-b"
    export INSTANCE_NAME="model-prep"
    gcloud compute instances create $INSTANCE_NAME \
        --zone=$ZONE \
        --image-family=$IMAGE_FAMILY \
        --machine-type=n1-standard-8 \
        --image-project=deeplearning-platform-release \
        --maintenance-policy=TERMINATE \
        --accelerator="type=nvidia-tesla-t4,count=1" \
        --metadata="install-nvidia-driver=True"
    
  2. 모델을 선택합니다. 이 가이드에서는 ResNet 모델을 사용합니다. 이 ResNet 모델은 TensorFlow에 있는 ImageNet 데이터세트에서 학습됩니다.

    ResNet 모델을 VM 인스턴스에 다운로드하려면 다음 명령어를 실행하세요.

    wget -q http://download.tensorflow.org/models/official/resnetv2_imagenet_frozen_graph.pb
    

    ResNet 모델의 위치를 $WORKDIR 변수에 저장합니다.

    export WORKDIR=[MODEL_LOCATION]
    

추론 속도 테스트 실행

이 섹션에서는 다음 절차를 설명합니다.

  • ResNet 모델 설정
  • 다양한 최적화 모드에서 추론 테스트 실행
  • 추론 테스트 결과 검토

테스트 과정 개요

TensorRT도 추론 작업 부하의 성능 속도를 개선할 수 있지만, 가장 중요한 개선은 양자화 프로세스를 통해 제공됩니다.

모델 양자화는 모델 가중치의 정밀도를 줄이는 과정입니다. 예를 들어 모델의 초기 가중치가 FP32라면 정밀도를 FP16, INT8 또는 INT4까지 줄일 수 있습니다. 모델의 속도(가중치의 정밀도)와 정확성 간의 적절한 절충안을 선택하는 것이 중요합니다. 다행히 TensorFlow에는 정확성을 속도 또는 처리량, 지연 시간, 노드 전환율, 총 학습 시간 같은 다른 측정항목과 비교해 측정하는 기능이 포함됩니다.

절차

  1. ResNet 모델을 설정합니다. 모델을 설정하려면 다음 명령어를 실행하세요.

    git clone https://github.com/tensorflow/models.git
    cd models
    git checkout f0e10716160cd048618ccdd4b6e18336223a172f
    touch research/__init__.py
    touch research/tensorrt/__init__.py
    cp research/tensorrt/labellist.json .
    cp research/tensorrt/image.jpg ..
    
  2. 테스트를 실행합니다. 이 명령어는 완료하는 데 다소 시간이 걸릴 수 있습니다.

    python -m research.tensorrt.tensorrt \
        --frozen_graph=$WORKDIR/resnetv2_imagenet_frozen_graph.pb \
        --image_file=$WORKDIR/image.jpg \
        --native --fp32 --fp16 --int8 \
        --output_dir=$WORKDIR
    

    각 항목의 의미는 다음과 같습니다.

    • $WORKDIR은 ResNet 모델을 다운로드한 디렉터리입니다.
    • --native 인수는 테스트할 다양한 양자화 모드를 의미합니다.
  3. 결과를 검토합니다. 테스트가 완료되면 각 최적화 모드에 대한 추론 결과를 비교할 수 있습니다.

    Predictions:
    Precision:  native [u'seashore, coast, seacoast, sea-coast', u'promontory, headland, head, foreland', u'breakwater, groin, groyne, mole, bulwark, seawall, jetty',     u'lakeside, lakeshore', u'grey whale, gray whale, devilfish, Eschrichtius gibbosus, Eschrichtius robustus']
    Precision:  FP32 [u'seashore, coast, seacoast, sea-coast', u'promontory, headland, head, foreland', u'breakwater, groin, groyne, mole, bulwark, seawall, jetty', u'lakeside,   lakeshore', u'sandbar, sand bar']
    Precision:  FP16 [u'seashore, coast, seacoast, sea-coast', u'promontory, headland, head, foreland', u'breakwater, groin, groyne, mole, bulwark, seawall, jetty', u'lakeside,   lakeshore', u'sandbar, sand bar']
    Precision:  INT8 [u'seashore, coast, seacoast, sea-coast', u'promontory, headland, head, foreland', u'breakwater, groin, groyne, mole, bulwark, seawall, jetty', u'grey         whale, gray whale, devilfish, Eschrichtius gibbosus, Eschrichtius robustus', u'lakeside, lakeshore']
    

    전체 결과를 보려면 다음 명령어를 실행하세요.

    cat $WORKDIR/log.txt
    

    성능 결과

    결과에서 FP32와 FP16이 동일함을 알 수 있습니다. 따라서 TensorRT 사용에 익숙하다면 FP16을 바로 사용할 수 있습니다. INT8은 약간 나쁜 결과를 보여줍니다.

    또한 TensorRT5를 이용한 모델 실행은 다음과 같은 결과를 표시합니다.

    • FP32 최적화를 이용하면 처리량이 314fps에서 440fps로 40% 증가합니다. 동시에 지연 시간은 0.40ms에서 약 30% 감소해 0.28ms가 됩니다.
    • 기본 TensorFlow 그래프 대신 FP16 최적화를 사용하면 속도가 214% 증가해 314fps에서 988fps가 됩니다. 동시에 지연 시간은 약 3배 감소해 0.12ms가 됩니다.
    • INT8을 이용하면 속도는 385% 상승해 314fps에서 1524fps로 증가하고, 지연 시간은 0.08ms로 감소합니다.

커스텀 모델을 TensorRT로 변환

이 변환에는 INT8 모델을 사용할 수 있습니다.

  1. 모델을 다운로드합니다. 커스텀 모델을 TensorRT 그래프로 변환하려면 저장된 모델이 있어야 합니다. 저장된 INT8 ResNet 모델을 얻으려면 다음 명령어를 실행하세요.

    wget http://download.tensorflow.org/models/official/20181001_resnet/savedmodels/resnet_v2_fp32_savedmodel_NCHW.tar.gz
    tar -xzvf resnet_v2_fp32_savedmodel_NCHW.tar.gz
    
  2. TFTools를 이용해 모델을 TensorRT 그래프로 변환합니다. TFTools를 이용해 모델을 변환하려면 다음 명령어를 실행하세요.

    git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/ml-on-gcp.git
    cd ml-on-gcp/dlvm/tools
    python ./convert_to_rt.py \
        --input_model_dir=$WORKDIR/resnet_v2_fp32_savedmodel_NCHW/1538687196 \
        --output_model_dir=$WORKDIR/resnet_v2_int8_NCHW/00001 \
        --batch_size=128 \
        --precision_mode="INT8"
    

    이제 $WORKDIR/resnet_v2_int8_NCHW/00001 디렉터리에 INT8 모델이 생겼습니다.

    모든 요소가 제대로 설정되었는지 확인하기 위해 추론 테스트를 실행해 보세요.

    tensorflow_model_server --model_base_path=$WORKDIR/resnet_v2_int8_NCHW/ --rest_api_port=8888
    
  3. 모델을 Cloud Storage에 업로드합니다. 다음 섹션에서 설정하는 다중 영역 클러스터에서 모델을 사용하려면 이 단계를 꼭 실행해야 합니다. 모델을 업로드하려면 다음 단계를 완료하세요.

    1. 모델을 보관처리합니다.

      tar -zcvf model.tar.gz ./resnet_v2_int8_NCHW/
      
    2. 보관 파일을 업로드합니다.

      export GCS_PATH=<gcs_path>
      gsutil cp model.tar.gz $GCS_PATH
      

      필요하다면 다음 URL을 이용해 Cloud Storage에서 INT8 고정 그래프를 얻을 수도 있습니다.

      gs://cloud-samples-data/dlvm/t4/model.tar.gz
      

다중 영역 클러스터 설정

클러스터 만들기

이제 Cloud Storage 플랫폼에 모델이 있으므로 클러스터를 만들 수 있습니다.

  1. 인스턴스 템플릿을 만듭니다. 인스턴스 템플릿은 새 인스턴스를 만드는 데 유용한 리소스입니다. 자세한 내용은 인스턴스 템플릿을 참조하세요.

    export INSTANCE_TEMPLATE_NAME="tf-inference-template"
    export IMAGE_FAMILY="tf-1-12-cu100"
    export PROJECT_NAME="your_project_name"
    
    gcloud beta compute --project=$PROJECT_NAME instance-templates create $INSTANCE_TEMPLATE_NAME \
         --machine-type=n1-standard-16 \
         --maintenance-policy=TERMINATE \
         --accelerator=type=nvidia-tesla-t4,count=4 \
         --min-cpu-platform=Intel\ Skylake \
         --tags=http-server,https-server \
         --image-family=$IMAGE_FAMILY \
         --image-project=deeplearning-platform-release \
         --boot-disk-size=100GB \
         --boot-disk-type=pd-ssd \
         --boot-disk-device-name=$INSTANCE_TEMPLATE_NAME \
         --metadata startup-script-url=gs://cloud-samples-data/dlvm/t4/start_agent_and_inf_server_4.sh
    
    • 이 인스턴스 템플릿에는 메타데이터 매개변수로 지정된 시작 스크립트가 포함되어 있습니다.
      • 인스턴스 생성 중 이 템플릿을 사용하는 모든 인스턴스에서 이 시작 스크립트를 실행합니다.
      • 이 시작 스크립트는 다음 단계를 수행합니다.
        • 인스턴스의 GPU 사용량을 모니터링하는 모니터링 에이전트를 설치합니다.
        • 모델을 다운로드합니다.
        • 추론 서비스를 시작합니다.
      • 시작 스크립트에서 tf_serve.py는 추론 로직을 포함합니다. 이 예시에는 TFServe 패키지를 기반으로 하는 아주 작은 Python 파일이 포함되어 있습니다.
      • 시작 스크립트를 보려면 startup_inf_script.sh를 확인하세요.
  2. MIG(관리형 인스턴스 그룹)를 만듭니다. 이 관리형 인스턴스 그룹은 특정 영역에 여러 실행 인스턴스를 설정하는 데 필요합니다. 인스턴스는 이전 단계에서 생성된 인스턴스 템플릿을 기반으로 생성됩니다.

    export INSTANCE_GROUP_NAME="deeplearning-instance-group"
    export INSTANCE_TEMPLATE_NAME="tf-inference-template"
    gcloud compute instance-groups managed create $INSTANCE_GROUP_NAME \
        --template $INSTANCE_TEMPLATE_NAME \
        --base-instance-name deeplearning-instances \
        --size 2 \
        --zones us-central1-a,us-central1-b
    
    • 이 인스턴스는 T4 GPU를 지원하는 모든 가용 영역에서 만들 수 있습니다. 영역에 사용 가능한 GPU 할당량이 있는지 확인하세요.
    • 인스턴스 생성에는 다소 시간이 걸립니다. 다음 명령어를 실행하면 진행 상황을 확인할 수 있습니다.

      export INSTANCE_GROUP_NAME="deeplearning-instance-group"
      
      gcloud compute instance-groups managed list-instances $INSTANCE_GROUP_NAME --region us-central1
      

      인스턴스 생성 스크린샷

    • 관리형 인스턴스 그룹이 생성되면 다음과 비슷한 출력이 표시됩니다.

      인스턴스 실행 스크린샷

  3. 측정 항목을 Google Cloud Platform Stackdriver Monitoring 페이지에서 사용할 수 있는지 확인합니다.

    1. Google Cloud Platform Console에서 측정항목 탐색기로 이동합니다.

      측정항목 탐색기로 이동

    2. gpu_utilization을 검색합니다.

      Stackdriver 초기화

    3. 데이터가 들어오면 다음과 비슷한 내용이 표시됩니다.

      Stackdriver 실행 중

자동 확장 사용 설정

  1. 관리형 인스턴스 그룹에 자동 확장을 사용 설정합니다.

    export INSTANCE_GROUP_NAME="deeplearning-instance-group"
    
    gcloud compute instance-groups managed set-autoscaling $INSTANCE_GROUP_NAME \
        --custom-metric-utilization metric=custom.googleapis.com/gpu_utilization,utilization-target-type=GAUGE,utilization-target=85 \
        --max-num-replicas 4 \
        --cool-down-period 360 \
        --region us-central1
    

    custom.googleapis.com/gpu_utilization은 측정항목의 전체 경로입니다. 샘플에 레벨 85가 지정되었는데, 이는 GPU 사용률이 85에 도달하면 플랫폼이 그룹에 새 인스턴스를 만든다는 뜻입니다.

  2. 자동 확장을 테스트합니다. 자동 확장을 테스트하려면 다음 단계를 수행해야 합니다.

    1. 인스턴스에 SSH를 통해 연결합니다. 자세한 내용은 인스턴스에 연결을 참조하세요.
    2. gpu-burn 도구를 이용해 GPU를 600초 동안 100% 사용률로 로드합니다.

      git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/ml-on-gcp.git
      cd ml-on-gcp/third_party/gpu-burn
      git checkout c0b072aa09c360c17a065368294159a6cef59ddf
      make
      ./gpu_burn 600 > /dev/null &
      
    3. Stackdriver 페이지를 확인합니다. 자동 확장을 관찰합니다. 클러스터는 인스턴스를 추가함으로써 확장됩니다.

      자동 확장 스크린샷

    4. GCP Console에서 인스턴스 그룹 페이지로 이동합니다.

      인스턴스 그룹 페이지로 이동

    5. deeplearning-instance-group 관리형 인스턴스 그룹을 클릭합니다.

    6. 모니터링 탭을 클릭합니다.

      모니터링 탭입니다.

      이 시점에서 자동 확장 로직은 운에 의지하지 않고 부하를 줄일 수 있도록 최대한 많은 인스턴스를 회전해야 합니다.

      그러면 아래와 같은 현상이 발생합니다.

      추가 인스턴스

      이 시점에서 인스턴스 굽기를 중단하고 시스템이 어떻게 축소되는지 관찰할 수도 있습니다.

부하 분산기 설정

이제까지 확보한 요소를 다시 확인해 보겠습니다.

  • TensorRT5(INT8)로 최적화되고 학습된 모델
  • 인스턴스의 관리형 그룹. 이러한 인스턴스는 활성화된 GPU 사용률에 따라 자동 확장을 사용 설정합니다.

이제 인스턴스 전면에 부하 분산기를 만들 수 있습니다.

  1. 상태 확인을 만듭니다. 상태 확인은 백엔드의 특정 호스트가 트래픽을 처리할 수 있는지를 결정하는 데 사용합니다.

    export HEALTH_CHECK_NAME="http-basic-check"
    
    gcloud compute health-checks create http $HEALTH_CHECK_NAME \
        --request-path /v1/models/default \
        --port 8888
    
  2. 인스턴스 그룹과 상태 확인을 포함하는 백엔드 서비스를 만듭니다.

    1. 상태 확인을 만듭니다.

      export HEALTH_CHECK_NAME="http-basic-check"
      export WEB_BACKED_SERVICE_NAME="tensorflow-backend"
      
      gcloud compute backend-services create $WEB_BACKED_SERVICE_NAME \
          --protocol HTTP \
          --health-checks $HEALTH_CHECK_NAME \
          --global
      
    2. 새 백엔드 서비스에 인스턴스 그룹을 추가합니다.

      export INSTANCE_GROUP_NAME="deeplearning-instance-group"
      export WEB_BACKED_SERVICE_NAME="tensorflow-backend"
      
      gcloud compute backend-services add-backend $WEB_BACKED_SERVICE_NAME \
          --balancing-mode UTILIZATION \
          --max-utilization 0.8 \
          --capacity-scaler 1 \
          --instance-group $INSTANCE_GROUP_NAME \
          --instance-group-region us-central1 \
          --global
      
  3. 전달 URL을 설정합니다. 부하 분산기는 백엔드 서비스에 전달할 수 있는 URL을 파악해야 합니다.

    export WEB_BACKED_SERVICE_NAME="tensorflow-backend"
    export WEB_MAP_NAME="map-all"
    
    gcloud compute url-maps create $WEB_MAP_NAME \
        --default-service $WEB_BACKED_SERVICE_NAME
    
  4. 부하 분산기를 만듭니다.

    export WEB_MAP_NAME="map-all"
    export LB_NAME="tf-lb"
    
    gcloud compute target-http-proxies create $LB_NAME \
        --url-map $WEB_MAP_NAME
    
  5. 부하 분산기에 외부 IP 주소를 추가합니다.

    export IP4_NAME="lb-ip4"
    
    gcloud compute addresses create $IP4_NAME \
        --ip-version=IPV4 \
        --global
    
  6. 할당된 IP를 찾습니다.

    gcloud compute addresses list
    
  7. 공용 IP의 모든 요청을 부하 분산기로 전달하도록 GCP에 지시하는 전달 규칙을 설정합니다.

    export IP=$(gcloud compute addresses list | grep ${IP4_NAME} | awk '{print $2}')
    export LB_NAME="tf-lb"
    export FORWARDING_RULE="lb-fwd-rule"
    
    gcloud compute forwarding-rules create $FORWARDING_RULE \
        --address $IP \
        --global \
        --target-http-proxy $LB_NAME \
        --ports 80
    

    전역 전달 규칙을 만든 후 구성이 적용되는 데 몇 분 정도 걸릴 수 있습니다.

방화벽 사용 설정

  1. 외부 소스에서 VM 인스턴스로의 연결을 허용하는 방화벽 규칙이 있는지 확인합니다.

    gcloud compute firewall-rules list
    
  2. 이러한 연결을 허용하는 방화벽 규칙이 없으면 직접 만들어야 합니다. 방화벽 규칙을 만들려면 다음 명령어를 실행하세요.

    gcloud compute firewall-rules create www-firewall-80 \
        --target-tags http-server --allow tcp:80
    
    gcloud compute firewall-rules create www-firewall-8888 \
        --target-tags http-server --allow tcp:8888
    

추론 실행

  1. 다음 Python 스크립트를 사용하면 이미지를 서버에 업로드 할 수 있는 형식으로 변환할 수 있습니다.

    from PIL import Image
    import numpy as np
    import json
    import codecs
    <br>
    img = Image.open("image.jpg").resize((240, 240))
    img_array=np.array(img)
    result = {
           "instances":[img_array.tolist()]
            }
    file_path="/tmp/out.json"
    print(json.dump(result, codecs.open(file_path, 'w', encoding='utf-8'), separators=(',', ':'), sort_keys=True, indent=4))
    
  2. 추론을 실행합니다.

    curl -X POST $IP/v1/models/default:predict -d @/tmp/out.json
    

삭제

이 가이드에서 사용한 리소스 비용이 Google Cloud Platform 계정에 청구되지 않도록 하려면 다음 안내를 따르세요.

  1. 전달 규칙을 삭제합니다.

    gcloud compute forwarding-rules delete $FORWARDING_RULE --global
    
  2. IPV4 주소를 삭제합니다.

    gcloud compute addresses delete $IP4_NAME --global
    
  3. 부하 분산기를 삭제합니다.

    gcloud compute target-http-proxies delete $LB_NAME
    
  4. 전달 URL을 삭제합니다.

    gcloud compute url-maps delete $WEB_MAP_NAME
    
  5. 백엔드 서비스를 삭제합니다.

    gcloud compute backend-services delete $WEB_BACKED_SERVICE_NAME --global
    
  6. 상태 확인을 삭제합니다.

    gcloud compute health-checks delete $HEALTH_CHECK_NAME
    
  7. 관리형 인스턴스 그룹을 삭제합니다.

    gcloud compute instance-groups managed delete $INSTANCE_GROUP_NAME --region us-central1
    
  8. 인스턴스 템플릿을 삭제합니다.

    gcloud beta compute --project=$PROJECT_NAME instance-templates delete $INSTANCE_TEMPLATE_NAME
    
  9. 방화벽 규칙을 삭제합니다.

    gcloud compute firewall-rules delete www-firewall-80
    gcloud compute firewall-rules delete www-firewall-8888
    
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