面向机器学习的分布式计算框架 Petuum 入门介绍

Petuum是 一个机器学习专用分布式计算框架，本文介绍其架构，并基于文章 More Effective Distributed ML via a Stale Synchronous Parallel Parameter Server，NIPS 2013 重点探讨其核心内容SSP协议。

主要思想

Parameter server提供了一个易于读写Global模型参数的接口，而SSP协议允许distributed workers读写本地缓存中stale版本的参数（而不是每次都花大量时间时间等待central storage传回最新参数）。更进一步，通过限制参数的stale程度，SSP模型提供了机器学习算法的正确性保证。

Stale Synchronous Parallel (SSP)

1. 并行机器学习面临着两个挑战：集群本身的Unequal performance machines和网络通信上的Low bandwidth, High delay问题。集群越大，线性扩展的代价就越大，网络通信会占据时间开销的主要部分。
2. BSP和Asynchronous协议各有缺点
   
   
3. SSP协议的好处在于，faster worker会遇到参数版本过于stale的问题，导致每一步迭代都需要网络通信，从而达到了平衡计算和网络通信时间开销的效果。
4. Petuum提供了分布式共享global模型参数的接口，使得很容易可以将多线程版本算法修改为Petuum版本。
5. SSP放宽一致性约束后，结果可以达到更好。
   
   但还不够激动人心，因此改进的空间也很大。
   
6. Asynchronous的问题在于，整体对参数的更新量delta_w=delta_w1+delta_w2+...(delta_wi表示单 个worker i根据部分数据计算的参数更新量），delta_wi之间应该是不能跨迭代次数的(而SSP则是放宽了这种约束)，因此Asynchronous并没有收 敛的保证。而SSP是有收敛的保证的，论文提供了一个bound。
7. 对于非凸问题来说，BSP和SSP有可能收敛到的最优解不一样。对于非凸优化问题（比如说神经网络），有大量局部最优解，随机梯度下降（可以跳出局部最优解）比批量梯度下降效果要更好。LDA本身也是非凸优化问题，不过如果采用变分法就会目标函数变成凸优化。

Structure-aware dynamic scheduler (STRADS)

1. STRADS负责模型的并行，涉及到参数的partition。
2. LDA（主题参数，归属主题（混合概率），隐变量）和DL模型（分层参数）的参数具有天然的分块，可能会好做一些。

Fault tolerance

Petuum的Fault tolerance功能非常简单，通过在Parameter Sever上taking snapshots，将参数备份到持久化存储，而结点的故障恢复是没有支持的。

杂谈

前两天去ICML看到了Eric Xing真人，他说之所以Petuum用C++而不是Scala等在Github上活跃的语言实现是因为这只是一个原型，GraphX的图并行太局限了无 法处理真正的海量数据，且GraphX的点一致性模式没有收敛保证而Petuum的SSP是理论保证的。虽说文人相轻，但GraphX的model partition是否会遇到瓶颈，在海量数据中Petuum的正确性和效率是否会击败GraphX，还是很值得一看的。

Resource

1. More Effective Distributed ML via a Stale Synchronous Parallel Parameter Server Qirong Ho, James Cipar, Henggang Cui, Jin Kyu Kim, Seunghak Lee, Phillip. B. Gibbons, Garth A. Gibson, Greg R. Ganger, Eric P. Xing. Neural Information Processing Systems, 2013 (NIPS 2013) Slides
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