2020-11-25
机器之心发布
机器之心编辑部
快手商业化进程开始加速，这对底层计算能力提出挑战。快手决定将 GPU 推理在商业化场景全量落地。
据官方披露，快手日活已超 3 亿，直播日活达 1.7 亿 +，快手之夜单场活动快手官方直播间累计观看总人数就超过 9000 万。随着业务规模的不断扩张，快手商业化进程也随之加速，单场直播最高成交额 12.5 亿，8 月电商订单总量达 5 亿。巨大的商业价值和潜力吸引越来越多的广告主来到快手做营销。为了应对日益激增的营销素材，快手不断提升底层计算能力，率先将 GPU 推理应用到大规模稀疏场景中，在提高机器性能、节约成本的同时，为广告主提供了更加有效的营销效果。
2019 年开始，快手商业化进程开始加快，底层计算能力持续面临挑战：
- 一方面，随着业务的发展，业务形态越来越丰富，流量越来越高，广告主对推荐质量的要求越来越高，模型变宽变深，算力的消耗急剧增加；
- 另一方面，在广告推荐场景下主要使用 DNN 模型，涉及大量稀疏特征 embedding 和神经网络浮点运算。作为访存和计算密集型的线上服务，在保证可用性的前提下，要满足低延迟、高吞吐的要求，对单机算力也是一种挑战。
上述算力资源需求和空间的矛盾，如果不解决好，对业务的发展会带来很大的限制：在模型加宽加深前，纯 CPU 推理服务能够提供可观的吞吐，但是在模型加宽加深后，计算复杂度上升，为了保证可用性，需要消耗大量机器资源，导致大模型无法大规模应用于线上。
目前行业比较通用的解决办法是利用 GPU 来解决这个问题。GPU 本身比较适合高吞吐、对延迟不太敏感的计算任务，在业界应用中，主要用于图像、语音或者离线训练等场景。
对于推荐、广告等场景使用的大规模稀疏模型，我们需要解决如下挑战：如何在保证可用性、低延迟的前提下，尽可能做到高吞吐，同时还需要考虑易用性和通用性。
业内一般会使用 TensorFlow 进行训练，在 GPU 场景推理时，则会选择 TensorFlow 或 TensorRT。对于 TensorFlow 和 TensorRT 的结合，常见的做法是利用开源工具离线将 TensorFlow 模型转换到 ONNX 模型，然后从 ONNX 模型加载，这引入了更多的中间环节，当 ONNX 不支持 TensorFlow 的某些 Op 时，转换会失败。这限制了模型的结构，也导致训练好的 TensorFlow 模型无法直接以端到端的形式应用于线上。
快手借鉴业界经验，从实际业务出发，围绕大规模稀疏模型场景，针对发挥 GPU 算力和 TensorFlow 与 TensorRT 的结合易用性，进行了一系列技术上的探索和尝试。
融合 CPU、GPU 各自硬件优势
快手在硬件部署时就充分考虑了硬件特点，融合不同硬件的优势。在广告推理场景下，CPU 适合大规模稀疏特征 embedding 访存密集型任务，GPU 适合进行 DNN 这种大规模浮点运算的计算密集型任务，以此实现 CPU 和 GPU 的高效率配合。
于是，快手从多个业务的推理服务中选取典型的服务，简化场景，提炼出核心计算过程，尝试不同的 GPU 卡进行压测，综合考虑硬件的特性、成本以及业务的发展情况，确定机型，对齐算力需求和硬件能力。
保证易用性，实现训练到推理端到端
结合 Tensorflow 的高可扩展性和 TensorRT 的高性能，快手在线进行 TensorFlow 模型到 TensorRT 模型的转换，基于 TensorRT 推理专用引擎的高性能，加速 DNN 计算，保持 TensorFlow 模型的训练和在线推理以端到端方式进行。
图 1. Predict Server 的模型加载和计算流程
计算流水优化，提升硬件利用率
快手利用多 cuda stream，同时运行多个 Compute Engine，增加 GPU 有效工作时间的占比，使每个 Compute Engine 对应两条 Cuda stream，优化了 H2D 数据传输到 GPU 计算的流水：
图 2. 多 Cuda Stream、Compute Engine 和计算流水优化
自动对 TF graph 做裁剪，减少重复计算和内存拷贝，不断优化 CPU 到 GPU 的流水（比如对 user 侧 embedding 在卡上展开），达到算力均衡。
图 3. User 特征的 GPU 展开
灵活配置，降低成本提升集群算力
为了降低每块卡的单机成本，快手采用单机双卡的机型，基于容器化隔离硬件资源，实现灵活分配。为了提高资源的利用率，快手通过 docker 将一台 GPU 服务器虚拟化为 2 个实例，通过 cpu manager 降低跨核心调度导致的性能损耗，进而保障服务容器化后的稳定性和性能。
对于大规模稀疏场景，模型占比中较大的是 EmbeddingTable，可能达到 TB 级规模，单机内存无法容纳，所以一般会将部分的 EmbeddingTable 以哈希的形式打散并保存在其他分布式节点上，在线推理时再通过稀疏的特征拉取参数。但带宽放大明显往往最先成为瓶颈，极大地限制了 Predict server（GPU 节点）算力的发挥。
结合场景和模型的特点，快手也进行了针对性的设计和优化。
在推荐广告场景中，每次请求针对一个 User 和 N 个 Item 进行预估。如果将 Item 的特征放在分布式节点上进行 embedding 计算，单次的数据通信量相较 User 特征会被放大 N 倍，通信带宽会成为 Predict Server 和 Emp Server（分布式计算节点）之间的瓶颈。
快手将 User 特征的 EmbeddingTable 和 Reduce sum 运算放在 Emp server 上，一方面可以利用相对廉价的 CPU 资源分担内存和算力需求，另一方面 User 特征不存在网络通信放大的问题，对带宽的压力要小得多。而将 DNN 等浮点数运算密集的逻辑保留在 PredictServer（GPU 节点）上，这能够充分利用 CPU 节点，结合 CPU 和 GPU 的优势，保证大规模模型的线上应用。
图 4. 分布式 Predict Server
2020 年，GPU 在快手商业化在线服务中实现了 0-1 的突破，GPU 在商业化在线推理服务中全面落地，形成 CPU 和 GPU 的混合集群，根据算力需求匹配机器，实现机器成本优化约 20~30%，在成本不变的情况下，为广告主提供更加高质量的营销体验和收益。
