Como treinar DLRM e DCN no Cloud TPU (TF 2.x)

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Este tutorial mostra como treinar modelos de classificação DLRM e DCN v2 que podem ser usados para tarefas como previsão de taxa de cliques (CTR, na sigla em inglês). Consulte a observação em Configurar para executar o modelo DLRM ou DCN para ver como definir parâmetros para treinar um modelo de classificação DLRM ou DCN v2.

As entradas do modelo são atributos numéricos e categóricos e a saída é um escalar (por exemplo, probabilidade de clique). O modelo pode ser treinado e avaliado no Cloud TPU. Os modelos de classificação profunda exigem muita memória (para incorporar tabelas/buscas) e muita computação para redes profundas (MLPs). TPUs são projetadas para ambos.

O modelo usa uma camada de TPU de incorporação para recursos categóricos. A incorporação de TPU é compatível com grandes tabelas de incorporação com pesquisa rápida. O tamanho das tabelas de incorporação é escalonado linearmente com o tamanho de um pod de TPU. Até 90 GB de tabelas de incorporação podem ser usados para a TPU v3-8, 5,6 TB para um pod v3-512 e 22,4 TB para um pod de TPU v3-2048.

O código do modelo está na biblioteca do TensorFlow Recommenders, enquanto o pipeline de entrada, a configuração e o loop de treinamento são descritos no TensorFlow Model Garden.

Objetivos

• Configurar o ambiente de treinamento
• Executar o job de treinamento usando dados sintéticos
• Verificar os resultados da saída.

Custos

Neste documento, você usará os seguintes componentes faturáveis do Google Cloud:

• Compute Engine
• Cloud TPU
• Cloud Storage

Para gerar uma estimativa de custo baseada na projeção de uso deste tutorial, use a calculadora de preços. Novos usuários do Google Cloud podem estar qualificados para uma avaliação gratuita.

Antes de começar

Importante: é possível usar este tutorial com a configuração da VM ou do nó da TPU. As duas arquiteturas de VM estão descritas em Arquitetura do sistema. Os comandos gcloud que você usa dependem da configuração de TPU que você está usando. Neste tutorial, cada comando gcloud é mostrado em uma seção com guias. Escolha a guia da configuração de TPU que você quer usar. A página da Web mostra o comando gcloud apropriado. A menos que você saiba que precisa usar os nós da TPU, recomendamos o uso de VMs de TPU.

Antes de começar o tutorial, verifique se o projeto do Google Cloud foi configurado corretamente.

1. Faça login na sua conta do Google Cloud. Se você começou a usar o Google Cloud agora, crie uma conta para avaliar o desempenho de nossos produtos em situações reais. Clientes novos também recebem US$ 300 em créditos para executar, testar e implantar cargas de trabalho.

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

   Observação: se você não pretende manter os recursos criados neste procedimento, crie um projeto novo em vez de selecionar um que já existe. Depois de concluir essas etapas, é possível excluir o projeto. Para fazer isso, basta remover todos os recursos associados a ele.

   Acessar o seletor de projetos

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

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

   Observação: se você não pretende manter os recursos criados neste procedimento, crie um projeto novo em vez de selecionar um que já existe. Depois de concluir essas etapas, é possível excluir o projeto. Para fazer isso, basta remover todos os recursos associados a ele.

   Acessar o seletor de projetos

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

Este tutorial usa componentes faturáveis do Google Cloud. Consulte a página de preços da Cloud TPU para fazer uma estimativa dos custos. Para evitar cobranças desnecessárias, não se esqueça de apagar os recursos criados ao terminar de usá-los.

Configurar os recursos

Nesta seção, você verá informações sobre como configurar recursos do bucket do Cloud Storage, da VM e do Cloud TPU usados por este tutorial.

Importante: Configure todos os recursos (VM do Compute Engine, Cloud TPU e bucket do Cloud Storage) na mesma região ou zona para reduzir a latência da rede e os custos da rede. As VMs e os nós da TPU estão localizados em zonas específicas, que são subdivisões dentro de uma região.

1. Abra uma janela do Cloud Shell.

   Abrir o Cloud Shell

2. Crie uma variável para o ID do seu projeto.

   export PROJECT_ID=project-id
   

3. Configure a Google Cloud CLI para usar o projeto em que você quer criar a Cloud TPU.

   Observação: para mais informações sobre o comando gcloud, consulte a Referência do gcloud.

   gcloud config set project ${PROJECT_ID}
   

   Na primeira vez que você executar esse comando em uma nova VM do Cloud Shell, será exibida uma página Authorize Cloud Shell. Clique em Authorize na parte inferior da página para permitir que gcloud faça chamadas de API com suas credenciais.

4. Crie uma conta de serviço para o projeto da Cloud TPU.

   gcloud beta services identity create --service tpu.googleapis.com --project $PROJECT_ID
   

   O comando retorna uma conta de serviço do Cloud TPU com o formato a seguir:

   [e-mail]
   

5. Crie um bucket do Cloud Storage usando o comando a seguir, em que a opção -l especifica a região em que o bucket precisa ser criado. Consulte os tipos e zonas para mais detalhes sobre zonas e regiões:

   gsutil mb -p ${PROJECT_ID} -c standard -l europe-west4 gs://bucket-name
   

   Esse bucket do Cloud Storage armazena os dados usados para treinar o modelo e os resultados do treinamento. A ferramenta gcloud compute tpus execution-groups usada neste tutorial configura permissões padrão para a conta de serviço do Cloud TPU configurada na etapa anterior. Caso queira permissões mais específicas, consulte as permissões de nível de acesso.

   O local do bucket precisa estar na mesma região que o Compute Engine (VM) e o nó da Cloud TPU.

6. Use o comando gcloud para iniciar uma VM do Compute Engine e a Cloud TPU. O comando usado depende se você usa uma VM ou um nó de TPU. Para mais informações sobre a arquitetura de duas VMs, consulte Arquitetura do sistema. Para mais informações sobre o comando gcloud, consulte a referência da gcloud.

   VM de TPU

   $ gcloud compute tpus tpu-vm create dlrm-dcn-tutorial \
   --zone=europe-west4-a \
   --accelerator-type=v3-8 \
   --version=tpu-vm-tf-2.13.0

   Descrições de sinalizações de comando

   zone

   A zona em que você planeja criar a Cloud TPU.

   accelerator-type

   O tipo do Cloud TPU a ser criado.

   version

   A versão do software do Cloud TPU.

   Nó da TPU

   $ gcloud compute tpus execution-groups create \
   --name=dlrm-dcn-tutorial \
   --zone=europe-west4-a \
   --disk-size=300 \
   --machine-type=n1-standard-8 \
   --tf-version=2.12.0
   

   Descrições de sinalizações de comando

   vm-only

   Crie somente uma VM. Por padrão, o comando gcloud compute tpus execution-groups cria uma VM e uma Cloud TPU.

   name

   O nome do Cloud TPU a ser criado.

   zone

   A zona em que você planeja criar a Cloud TPU.

   disk-size

   O tamanho do disco rígido em GB da VM criada pelo comando gcloud compute tpus execution-groups.

   machine-type

   O tipo de máquina da VM do Compute Engine a ser criada.

   tf-version

   A versão do Tensorflow ctpu é instalada na VM.

   Observação: a primeira vez que você executar gcloud compute tpus execution-groups em um projeto, poderá levar vários minutos para executar tarefas de inicialização, como propagação de chave SSH e ativação de API.

7. Se você não for conectado automaticamente à instância do Compute Engine, faça login executando o seguinte comando ssh. Quando você faz login na VM, o prompt do shell muda de username@projectname para username@vm-name:

   VM de TPU

   gcloud compute tpus tpu-vm ssh dlrm-dcn-tutorial --zone=europe-west4-a
   

   Nó de TPU

   gcloud compute ssh dlrm-dcn-tutorial --zone=europe-west4-a
   

   Ao seguir essas instruções, execute cada comando iniciado por (vm)$ na janela de sessão da VM.

Definir variáveis de bucket do Cloud Storage

Configure as seguintes variáveis de ambiente, substituindo bucket-name pelo nome do bucket do Cloud Storage:

(vm)$ export STORAGE_BUCKET=gs://bucket-name
(vm)$ export PYTHONPATH="/usr/share/tpu/models/:${PYTHONPATH}"
(vm)$ export EXPERIMENT_NAME=dlrm-exp

Defina uma variável de ambiente para o nome da TPU.

VM de TPU

(vm)$ export TPU_NAME=local

Nó da TPU

(vm)$ export TPU_NAME=dlrm-dcn-tutorial

O aplicativo de treinamento precisa que os dados de treinamento sejam acessíveis no Cloud Storage. Ele também usa o bucket do Cloud Storage para armazenar checkpoints durante o treinamento.

Configuração para executar o modelo DLRM ou DCN com dados sintéticos

O modelo pode ser treinado em vários conjuntos de dados. Dois comumente usados são o Criteo Terabyte e o Criteo Kaggle. Este tutorial treina sobre dados sintéticos definindo a sinalização use_synthetic_data=True.

O conjunto de dados sintéticos é útil apenas para entender como usar um Cloud TPU e validar o desempenho de ponta a ponta. Os números de acurácia e o modelo salvo não são importantes.

Acesse os sites Criteo Terabyte e Criteo Kaggle (em inglês) para informações sobre como fazer o download e pré-processar esses conjuntos de dados.

Observação: se você quiser monitorar a saída e o desempenho do modelo, siga o guia para configurar o TensorBoard.

1. Instalar os pacotes necessários

   (vm)$ pip3 install tensorflow-recommenders
   (vm)$ pip3 install -r /usr/share/tpu/models/official/requirements.txt
   

2. Altere para o diretório do script.

   VM de TPU

   (vm)$ cd /usr/share/tpu/models/official/recommendation/ranking

   Nó de TPU

   (vm)$ cd /usr/share/models/official/recommendation/ranking

3. Execute o script de treinamento. Ele usa um conjunto de dados falso semelhante ao Criteo para treinar o modelo DLRM. O treinamento leva aproximadamente 20 minutos.

   Observação: para treinar o modelo DLRM, use a interação de recursos do produto ponto, ou seja, interação: "ponto". Para treinar o modelo DCN v2, use a interação "cross"

   export EMBEDDING_DIM=32
   
   python3 train.py --mode=train_and_eval \
        --model_dir=${STORAGE_BUCKET}/model_dirs/${EXPERIMENT_NAME} --params_override="
        runtime:
            distribution_strategy: 'tpu'
        task:
            use_synthetic_data: true
            train_data:
                input_path: '${DATA_DIR}/train/*'
                global_batch_size: 16384
            validation_data:
                input_path: '${DATA_DIR}/eval/*'
                global_batch_size: 16384
            model:
                num_dense_features: 13
                bottom_mlp: [512,256,${EMBEDDING_DIM}]
                embedding_dim: ${EMBEDDING_DIM}
                top_mlp: [1024,1024,512,256,1]
                interaction: 'dot'
                vocab_sizes: [39884406, 39043, 17289, 7420, 20263, 3, 7120, 1543, 63,
                    38532951, 2953546, 403346, 10, 2208, 11938, 155, 4, 976, 14,
                    39979771, 25641295, 39664984, 585935, 12972, 108, 36]
        trainer:
            use_orbit: false
            validation_interval: 1000
            checkpoint_interval: 1000
            validation_steps: 500
            train_steps: 1000
            steps_per_loop: 1000
        "
   

Este treinamento é executado por aproximadamente 10 minutos em uma TPU v3-8. Quando ela for concluída, você verá mensagens semelhantes a estas:

I0621 21:32:58.519792 139675269142336 tpu_embedding_v2_utils.py:907] Done with log of TPUEmbeddingConfiguration.
I0621 21:32:58.540874 139675269142336 tpu_embedding_v2.py:389] Done initializing TPU Embedding engine.
1000/1000 [==============================] - 335s 335ms/step - auc: 0.7360 - accuracy: 0.6709 - prediction_mean: 0.4984
- label_mean: 0.4976 - loss: 0.0734 - regularization_loss: 0.0000e+00 - total_loss: 0.0734 - val_auc: 0.7403
- val_accuracy: 0.6745 - val_prediction_mean: 0.5065 - val_label_mean: 0.4976 - val_loss: 0.0749
- val_regularization_loss: 0.0000e+00 - val_total_loss: 0.0749

Model: "ranking"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #
=================================================================
tpu_embedding (TPUEmbedding) multiple                  1
_________________________________________________________________
mlp (MLP)                    multiple                  154944
_________________________________________________________________
mlp_1 (MLP)                  multiple                  2131969
_________________________________________________________________
dot_interaction (DotInteract multiple                  0
_________________________________________________________________
ranking_1 (Ranking)          multiple                  0
=================================================================
Total params: 2,286,914
Trainable params: 2,286,914
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________
I0621 21:43:54.977140 139675269142336 train.py:177] Train history: {'auc': [0.7359596490859985],
'accuracy': [0.67094486951828], 'prediction_mean': [0.4983849823474884], 'label_mean': [0.4975697994232178],
'loss': [0.07338511198759079], 'regularization_loss': [0], 'total_loss': [0.07338511198759079],
'val_auc': [0.7402724623680115], 'val_accuracy': [0.6744520664215088], 'val_prediction_mean': [0.5064718723297119],
'val_label_mean': [0.4975748658180237], 'val_loss': [0.07486172765493393],
'val_regularization_loss': [0], 'val_total_loss': [0.07486172765493393]}

Limpeza

Para evitar cobranças na sua conta do Google Cloud pelos recursos usados no tutorial, exclua o projeto que os contém ou mantenha o projeto e exclua os recursos individuais.

1. Desconecte-se da instância do Compute Engine, caso ainda não tenha feito isso:

   (vm)$ exit
   

   Agora, o prompt será username@projectname, mostrando que você está no Cloud Shell.

2. Exclua os recursos do Cloud TPU e do Compute Engine. O comando usado para excluir os recursos depende se você está usando VMs ou nós de TPU. Para mais informações, consulte Arquitetura do sistema.

   VM de TPU

   $ gcloud compute tpus tpu-vm delete dlrm-dcn-tutorial \
   --zone=europe-west4-a
   

   Nó de TPU

   $ gcloud compute tpus execution-groups delete dlrm-dcn-tutorial \
   --zone=europe-west4-a
   

3. Execute gcloud compute tpus execution-groups list para verificar se os recursos foram excluídos. A exclusão pode levar vários minutos. A saída do seguinte comando não pode incluir nenhum dos recursos criados neste tutorial:

   VM de TPU

   $ gcloud compute tpus tpu-vm list --zone=europe-west4-a

   Nó de TPU

   $ gcloud compute tpus execution-groups list --zone=europe-west4-a

4. Exclua o bucket do Cloud Storage usando gsutil, conforme mostrado abaixo. Substitua bucket-name pelo nome do bucket no Cloud Storage.

   $ gsutil rm -r gs://bucket-name
   

A seguir

Geralmente, os tutoriais do Cloud TPU do TensorFlow treinam o modelo usando um conjunto de dados de amostra. Os resultados deste treinamento não são utilizáveis para inferência. Para usar um modelo para inferência, treine os dados em um conjunto de dados disponível publicamente ou no seu próprio conjunto de dados. Os modelos do TensorFlow treinados em Cloud TPUs geralmente exigem que os conjuntos de dados estejam no formato TFRecord.

Use a amostra da ferramenta de conversão de conjunto de dados para converter um conjunto de dados de classificação de imagem no formato TFRecord. Se você não estiver usando um modelo de classificação de imagem, converta manualmente o conjunto de dados para o TFRecord. Para saber mais, consulte TFRecord e tf.Example.

Ajuste de hiperparâmetros

Para melhorar o desempenho do modelo com o conjunto de dados, é possível ajustar os hiperparâmetros do modelo. Encontre informações sobre hiperparâmetros comuns a todos os modelos compatíveis com a TPU no GitHub. As informações sobre hiperparâmetros específicos do modelo podem ser encontradas no código-fonte de cada modelo. Para saber mais sobre o ajuste de hiperparâmetros, consulte Visão geral do ajuste de hiperparâmetros, Como usar o serviço de ajuste de hiperparâmetros e Ajustar hiperparâmetros.

Inferência

Depois de treinar o modelo, é possível usá-lo para inferência (também chamada de previsão). O AI Platform é uma solução baseada na nuvem para desenvolver, treinar e implantar modelos de machine learning. Depois que um modelo é implantado, use o serviço do AI Platform Prediction.