Treinar um modelo com GPUs no modo padrão do GKE

Padrão

Neste guia de início rápido, mostramos como implantar um modelo de treinamento com GPUs no Google Kubernetes Engine (GKE) e armazenar as previsões no Cloud Storage. Este documento é destinado a administradores do GKE que já têm clusters no modo padrão e querem executar cargas de trabalho de GPU pela primeira vez.

Também é possível executar essas cargas de trabalho em clusters no modo Autopilot com menos etapas de configuração.

Antes de começar

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No console do Google Cloud, na página do seletor de projetos, selecione ou crie um projeto do Google Cloud.

Acessar o seletor de projetos

Verifique se a cobrança está ativada para o seu projeto do Google Cloud.

Ative as APIs Kubernetes Engine and Cloud Storage.

Ative as APIs

No console do Google Cloud, na página do seletor de projetos, selecione ou crie um projeto do Google Cloud.

Acessar o seletor de projetos

Verifique se a cobrança está ativada para o seu projeto do Google Cloud.

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No Console do Google Cloud, ative o Cloud Shell.

Ativar o Cloud Shell

Na parte inferior do Console do Google Cloud, uma sessão do Cloud Shell é iniciada e exibe um prompt de linha de comando. O Cloud Shell é um ambiente shell com a CLI do Google Cloud já instalada e com valores já definidos para o projeto atual. A inicialização da sessão pode levar alguns segundos.

Clone o repositório de exemplo

No Cloud Shell, execute este comando:

git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/ai-on-gke/ ai-on-gke
cd ai-on-gke/tutorials-and-examples/gpu-examples/training-single-gpu

Criar um cluster no modo padrão e um pool de nós de GPU

Use o Cloud Shell para fazer o seguinte:

Crie um cluster padrão que use a federação de identidade da carga de trabalho para o GKE e instale o driver do Cloud Storage FUSE:
```
gcloud container clusters create gke-gpu-cluster \
    --addons GcsFuseCsiDriver \
    --location=us-central1 \
    --num-nodes=1 \
    --workload-pool=PROJECT_ID.svc.id.goog
```
Substitua o PROJECT_ID pelo ID do projeto do Google Cloud.

A criação do cluster pode levar vários minutos.

Crie um pool de nós de GPU:

gcloud container node-pools create gke-gpu-pool-1 \
    --accelerator=type=nvidia-tesla-t4,count=1,gpu-driver-version=default \
    --machine-type=n1-standard-16 --num-nodes=1 \
    --location=us-central1 \
    --cluster=gke-gpu-cluster

Crie um bucket do Cloud Storage

No Console do Google Cloud, acesse a página Criar um bucket:

Acessar "Criar um bucket"
No campo Nomeie seu bucket, insira o seguinte nome:
```
PROJECT_ID-gke-gpu-bucket
```
Clique em Continuar.
Em Tipo de local, selecione Região.
Na lista Região, selecione us-central1 (Iowa) e clique em Continuar.
Na seção Escolha uma classe de armazenamento para seus dados, clique em Continuar.
Na seção Escolha como controlar o acesso a objetos, em Controle de acesso, selecione Uniforme.
Clique em Criar.
Na caixa de diálogo O acesso público será impedido verifique se a caixa de seleção Aplicar a prevenção contra acesso público neste bucket está marcada e clique em Confirmar.

Configurar o cluster para acessar o bucket usando a federação de identidade da carga de trabalho do GKE

Para permitir que o cluster acesse o bucket do Cloud Storage, faça o seguinte:

Crie uma conta de serviço do Google Cloud.
Crie uma conta de serviço do Kubernetes no cluster.
Vincular a conta de serviço do Kubernetes à conta de serviço do Google Cloud.

Criar uma conta de serviço do Google Cloud.

No Console do Google Cloud, acesse a página Criar conta de serviço.

Acesse "Criar conta de serviço"
No campo ID da conta de serviço, digite gke-ai-sa.
Clique em Criar e continuar.
Na lista Papel, selecione o papel Cloud Storage > Serviço de coletor do Insights.
Clique em Adicionar outro papel.
Na lista Selecionar um papel, selecione o papel Cloud Storage > Administrador de objetos do Storage.
Clique em Continuar e depois em Concluído.

Criar uma conta de serviço do Kubernetes no cluster

No Cloud Shell, faça o seguinte:

Crie um namespace do Kubernetes:

kubectl create namespace gke-ai-namespace

Crie uma conta de serviço do Kubernetes no namespace:

kubectl create serviceaccount gpu-k8s-sa --namespace=gke-ai-namespace

Vincular a conta de serviço do Kubernetes à conta de serviço do Google Cloud

No Cloud Shell, execute os seguintes comandos:

Adicione uma vinculação do IAM à conta de serviço do Google Cloud:

gcloud iam service-accounts add-iam-policy-binding gke-ai-sa@PROJECT_ID.iam.gserviceaccount.com \
    --role roles/iam.workloadIdentityUser \
    --member "serviceAccount:PROJECT_ID.svc.id.goog[gke-ai-namespace/gpu-k8s-sa]"

A sinalização --member fornece a identidade completa da conta de serviço do Kubernetes no Google Cloud.

Anote a conta de serviço do Kubernetes:

kubectl annotate serviceaccount gpu-k8s-sa \
    --namespace gke-ai-namespace \
    iam.gke.io/gcp-service-account=gke-ai-sa@PROJECT_ID.iam.gserviceaccount.com

Verifique se os pods podem acessar o bucket do Cloud Storage

No Cloud Shell, crie as seguintes variáveis de ambiente:
```
export K8S_SA_NAME=gpu-k8s-sa
export BUCKET_NAME=PROJECT_ID-gke-gpu-bucket
```
Substitua o PROJECT_ID pelo ID do projeto do Google Cloud.
Crie um pod que tenha um contêiner do TensorFlow:
```
envsubst < src/gke-config/standard-tensorflow-bash.yaml | kubectl --namespace=gke-ai-namespace apply -f -
```
Esse comando substitui as variáveis de ambiente que você criou nas referências correspondentes no manifesto. Também é possível abrir o manifesto em um editor de texto e substituir $K8S_SA_NAME e $BUCKET_NAME pelos valores correspondentes.

Crie um arquivo de amostra no bucket:

touch sample-file
gsutil cp sample-file gs://PROJECT_ID-gke-gpu-bucket

Aguarde até que o pod esteja pronto:

kubectl wait --for=condition=Ready pod/test-tensorflow-pod -n=gke-ai-namespace --timeout=180s

Quando o pod estiver pronto, a saída será a seguinte:

pod/test-tensorflow-pod condition met

Abra um shell no contêiner do TensorFlow:

kubectl -n gke-ai-namespace exec --stdin --tty test-tensorflow-pod --container tensorflow -- /bin/bash

Tente ler o arquivo de amostra que você criou:
```
ls /data
```
A saída mostra o arquivo de amostra.

Verifique os registros para identificar a GPU anexada ao pod:

python -c "import tensorflow as tf; print(tf.config.list_physical_devices('GPU'))"

A saída mostra a GPU anexada ao pod, semelhante à seguinte:

...
PhysicalDevice(name='/physical_device:GPU:0',device_type='GPU')

Saia do contêiner:
```
exit
```

Exclua o pod de amostra:

kubectl delete -f src/gke-config/standard-tensorflow-bash.yaml \
    --namespace=gke-ai-namespace

Treinar e prever usando o conjunto de dados `MNIST`

Nesta seção, você executará uma carga de trabalho de treinamento no conjunto de dados de exemplo MNIST.

Copie os dados de exemplo para o bucket do Cloud Storage:

gsutil -m cp -R src/tensorflow-mnist-example gs://PROJECT_ID-gke-gpu-bucket/

Crie as variáveis de ambiente a seguir:

export K8S_SA_NAME=gpu-k8s-sa
export BUCKET_NAME=PROJECT_ID-gke-gpu-bucket

Revise o job de treinamento:

# Copyright 2023 Google LLC
#
# Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
# you may not use this file except in compliance with the License.
# You may obtain a copy of the License at
#
#      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
#
# Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
# distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
# WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
# See the License for the specific language governing permissions and
# limitations under the License.

apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
  name: mnist-training-job
spec:
  template:
    metadata:
      name: mnist
      annotations:
        gke-gcsfuse/volumes: "true"
    spec:
      nodeSelector:
        cloud.google.com/gke-accelerator: nvidia-tesla-t4
      tolerations:
      - key: "nvidia.com/gpu"
        operator: "Exists"
        effect: "NoSchedule"
      containers:
      - name: tensorflow
        image: tensorflow/tensorflow:latest-gpu
        command: ["/bin/bash", "-c", "--"]
        args: ["cd /data/tensorflow-mnist-example; pip install -r requirements.txt; python tensorflow_mnist_train_distributed.py"]
        resources:
          limits:
            nvidia.com/gpu: 1
            cpu: 1
            memory: 3Gi
        volumeMounts:
        - name: gcs-fuse-csi-vol
          mountPath: /data
          readOnly: false
      serviceAccountName: $K8S_SA_NAME
      volumes:
      - name: gcs-fuse-csi-vol
        csi:
          driver: gcsfuse.csi.storage.gke.io
          readOnly: false
          volumeAttributes:
            bucketName: $BUCKET_NAME
            mountOptions: "implicit-dirs"
      restartPolicy: "Never"

Implante o job de treinamento:
```
envsubst < src/gke-config/standard-tf-mnist-train.yaml | kubectl -n gke-ai-namespace apply -f -
```
Esse comando substitui as variáveis de ambiente que você criou nas referências correspondentes no manifesto. Também é possível abrir o manifesto em um editor de texto e substituir $K8S_SA_NAME e $BUCKET_NAME pelos valores correspondentes.

Aguarde até que o job tenha o status Completed:

kubectl wait -n gke-ai-namespace --for=condition=Complete job/mnist-training-job --timeout=180s

O resultado será assim:

job.batch/mnist-training-job condition met

Verifique os registros do contêiner do TensorFlow:

kubectl logs -f jobs/mnist-training-job -c tensorflow -n gke-ai-namespace

A saída mostra que os seguintes eventos ocorrem:

Instalar os pacotes Python necessários
Fazer o download do conjunto de dados MNIST
Treinar o modelo usando uma GPU
Salvar o modelo
Avalie o modelo

...
Epoch 12/12
927/938 [============================>.] - ETA: 0s - loss: 0.0188 - accuracy: 0.9954
Learning rate for epoch 12 is 9.999999747378752e-06
938/938 [==============================] - 5s 6ms/step - loss: 0.0187 - accuracy: 0.9954 - lr: 1.0000e-05
157/157 [==============================] - 1s 4ms/step - loss: 0.0424 - accuracy: 0.9861
Eval loss: 0.04236088693141937, Eval accuracy: 0.9861000180244446
Training finished. Model saved

Exclua a carga de trabalho de treinamento:

kubectl -n gke-ai-namespace delete -f src/gke-config/standard-tf-mnist-train.yaml

Implantar uma carga de trabalho de inferência

Nesta seção, você implantará uma carga de trabalho de inferência que usa um conjunto de dados de amostra como entrada e retorna previsões.

Copie as imagens para predição para o bucket:

gsutil -m cp -R data/mnist_predict gs://PROJECT_ID-gke-gpu-bucket/

Revise a carga de trabalho de inferência:

# Copyright 2023 Google LLC
#
# Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
# you may not use this file except in compliance with the License.
# You may obtain a copy of the License at
#
#      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
#
# Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
# distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
# WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
# See the License for the specific language governing permissions and
# limitations under the License.

apiVersion: batch/v1
kind: Job
metadata:
  name: mnist-batch-prediction-job
spec:
  template:
    metadata:
      name: mnist
      annotations:
        gke-gcsfuse/volumes: "true"
    spec:
      nodeSelector:
        cloud.google.com/gke-accelerator: nvidia-tesla-t4
      tolerations:
      - key: "nvidia.com/gpu"
        operator: "Exists"
        effect: "NoSchedule"
      containers:
      - name: tensorflow
        image: tensorflow/tensorflow:latest-gpu
        command: ["/bin/bash", "-c", "--"]
        args: ["cd /data/tensorflow-mnist-example; pip install -r requirements.txt; python tensorflow_mnist_batch_predict.py"]
        resources:
          limits:
            nvidia.com/gpu: 1
            cpu: 1
            memory: 3Gi
        volumeMounts:
        - name: gcs-fuse-csi-vol
          mountPath: /data
          readOnly: false
      serviceAccountName: $K8S_SA_NAME
      volumes:
      - name: gcs-fuse-csi-vol
        csi:
          driver: gcsfuse.csi.storage.gke.io
          readOnly: false
          volumeAttributes:
            bucketName: $BUCKET_NAME
            mountOptions: "implicit-dirs"
      restartPolicy: "Never"

Implante a carga de trabalho de inferência:
```
envsubst < src/gke-config/standard-tf-mnist-batch-predict.yaml | kubectl -n gke-ai-namespace apply -f -
```
Esse comando substitui as variáveis de ambiente que você criou nas referências correspondentes no manifesto. Também é possível abrir o manifesto em um editor de texto e substituir $K8S_SA_NAME e $BUCKET_NAME pelos valores correspondentes.

Aguarde até que o job tenha o status Completed:

kubectl wait -n gke-ai-namespace --for=condition=Complete job/mnist-batch-prediction-job --timeout=180s

O resultado será assim:

job.batch/mnist-batch-prediction-job condition met

Verifique os registros do contêiner do TensorFlow:

kubectl logs -f jobs/mnist-batch-prediction-job -c tensorflow -n gke-ai-namespace

A saída é a previsão para cada imagem e a confiança do modelo na previsão, semelhante ao seguinte:

Found 10 files belonging to 1 classes.
1/1 [==============================] - 2s 2s/step
The image /data/mnist_predict/0.png is the number 0 with a 100.00 percent confidence.
The image /data/mnist_predict/1.png is the number 1 with a 99.99 percent confidence.
The image /data/mnist_predict/2.png is the number 2 with a 100.00 percent confidence.
The image /data/mnist_predict/3.png is the number 3 with a 99.95 percent confidence.
The image /data/mnist_predict/4.png is the number 4 with a 100.00 percent confidence.
The image /data/mnist_predict/5.png is the number 5 with a 100.00 percent confidence.
The image /data/mnist_predict/6.png is the number 6 with a 99.97 percent confidence.
The image /data/mnist_predict/7.png is the number 7 with a 100.00 percent confidence.
The image /data/mnist_predict/8.png is the number 8 with a 100.00 percent confidence.
The image /data/mnist_predict/9.png is the number 9 with a 99.65 percent confidence.

Limpeza

Para evitar cobranças na sua conta do Google Cloud pelos recursos criados neste guia, siga um destes procedimentos:

Manter o cluster do GKE: exclua os recursos do Kubernetes no cluster e os recursos do Google Cloud.
Manter o projeto do Google Cloud: exclua o cluster do GKE e os recursos do Google Cloud.
Excluir o projeto

Excluir os recursos do Kubernetes no cluster e os recursos do Google Cloud

Exclua o namespace do Kubernetes e as cargas de trabalho implantadas:

kubectl -n gke-ai-namespace delete -f src/gke-config/standard-tf-mnist-batch-predict.yaml
kubectl delete namespace gke-ai-namespace

Exclua o bucket do Cloud Storage:
1. Acessar a página Buckets:
  
  Acessar buckets
2. Marque a caixa de seleção de PROJECT_ID-gke-gpu-bucket.
3. Clique em Excluir.
4. Para confirmar a exclusão, digite DELETE e clique em Excluir.
Excluir a conta de serviço do Google Cloud:
1. Acessar a página Contas de serviço
  
  Acesse as Contas de serviço
2. Selecione o projeto.
3. Marque a caixa de seleção de gke-ai-sa@PROJECT_ID.iam.gserviceaccount.com.
4. Clique em Excluir.
5. Para confirmar a exclusão, clique em Excluir.

Excluir o cluster do GKE e os recursos do Google Cloud

Exclua o cluster do GKE:
1. Acessar a página de clusters:
  
  Acessar Clusters
2. Marque a caixa de seleção de gke-gpu-cluster.
3. Clique em Excluir.
4. Para confirmar a exclusão, digite gke-gpu-cluster e clique em Excluir.
Exclua o bucket do Cloud Storage:
1. Acessar a página Buckets:
  
  Acessar buckets
2. Marque a caixa de seleção de PROJECT_ID-gke-gpu-bucket.
3. Clique em Excluir.
4. Para confirmar a exclusão, digite DELETE e clique em Excluir.
Excluir a conta de serviço do Google Cloud:
1. Acessar a página Contas de serviço
  
  Acesse as Contas de serviço
2. Selecione o projeto.
3. Marque a caixa de seleção de gke-ai-sa@PROJECT_ID.iam.gserviceaccount.com.
4. Clique em Excluir.
5. Para confirmar a exclusão, clique em Excluir.

Excluir o projeto

Cuidado: excluir um projeto tem os seguintes efeitos:

Tudo no projeto é excluído. Se você tiver usado um projeto existente para as tarefas neste documento, a exclusão dele incluirá a exclusão de quaisquer outros trabalhos feitos no projeto.
Os IDs do projeto personalizados são perdidos. Ao criar o projeto, você pode ter criado um código do projeto personalizado para ser usado no futuro. Para preservar os URLs que usam o ID do projeto, como um URL appspot.com, exclua recursos específicos do projeto, em vez de excluir o projeto inteiro.

Se você planeja passar por várias arquiteturas, tutoriais ou guias de início rápido, a reutilização de projetos pode evitar que você exceda os limites da cota do projeto.

No Console do Google Cloud, acesse a página Gerenciar recursos.
Acessar "Gerenciar recursos"
Na lista de projetos, selecione o projeto que você quer excluir e clique em Excluir .
Na caixa de diálogo, digite o ID do projeto e clique em Encerrar para excluí-lo.

A seguir

Saiba mais sobre como usar GPUs no GKE

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Criar uma conta de serviço do Google Cloud.

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A seguir

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