自动混合精度示例

通常，“自动混合精度训练”是指同时使用 torch.autocast 和 torch.amp.GradScaler 进行训练。

torch.autocast 的实例允许对选定的区域进行自动类型转换。自动类型转换会自动选择操作的精度，以提高性能同时保持准确性。

torch.amp.GradScaler 的实例有助于方便地执行梯度缩放步骤。梯度缩放通过最小化梯度下溢来提高使用 float16（在 CUDA 和 XPU 上默认为此类型）梯度的网络的收敛性，详情请参阅此处。

torch.autocast 和 torch.amp.GradScaler 是模块化的。在下面的示例中，它们的使用方式都遵循各自文档的建议。

（此处的示例仅作说明。请参阅自动混合精度秘籍以获取可运行的演练。）

典型的混合精度训练

# Creates model and optimizer in default precision
model = Net().cuda()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), ...)

# Creates a GradScaler once at the beginning of training.
scaler = GradScaler()

for epoch in epochs:
    for input, target in data:
        optimizer.zero_grad()

        # Runs the forward pass with autocasting.
        with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
            output = model(input)
            loss = loss_fn(output, target)

        # Scales loss.  Calls backward() on scaled loss to create scaled gradients.
        # Backward passes under autocast are not recommended.
        # Backward ops run in the same dtype autocast chose for corresponding forward ops.
        scaler.scale(loss).backward()

        # scaler.step() first unscales the gradients of the optimizer's assigned params.
        # If these gradients do not contain infs or NaNs, optimizer.step() is then called,
        # otherwise, optimizer.step() is skipped.
        scaler.step(optimizer)

        # Updates the scale for next iteration.
        scaler.update()

处理未缩放的梯度

scaler.scale(loss).backward() 产生的全部梯度都是缩放后的。如果您希望在 backward() 和 scaler.step(optimizer) 之间修改或检查参数的 .grad 属性，您应该先取消缩放它们。例如，梯度裁剪会操作一组梯度，使得它们的全局范数（参见torch.nn.utils.clip_grad_norm_()）或最大幅度（参见torch.nn.utils.clip_grad_value_()）$<=$ 某个用户设定的阈值。如果您尝试在不取消缩放的情况下进行裁剪，则梯度的范数/最大幅度也会被缩放，因此您请求的阈值（原意是用于未缩放梯度的阈值）将无效。

scaler.unscale_(optimizer) 会取消缩放由 optimizer 分配的参数所持有的梯度。如果您的模型或模型包含分配给另一个优化器（例如 optimizer2）的其他参数，您可以单独调用 scaler.unscale_(optimizer2) 来取消缩放这些参数的梯度。

梯度裁剪

在裁剪之前调用 scaler.unscale_(optimizer) 使您能够像往常一样裁剪未缩放的梯度

scaler = GradScaler()

for epoch in epochs:
    for input, target in data:
        optimizer.zero_grad()
        with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
            output = model(input)
            loss = loss_fn(output, target)
        scaler.scale(loss).backward()

        # Unscales the gradients of optimizer's assigned params in-place
        scaler.unscale_(optimizer)

        # Since the gradients of optimizer's assigned params are unscaled, clips as usual:
        torch.nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), max_norm)

        # optimizer's gradients are already unscaled, so scaler.step does not unscale them,
        # although it still skips optimizer.step() if the gradients contain infs or NaNs.
        scaler.step(optimizer)

        # Updates the scale for next iteration.
        scaler.update()

scaler 会记录本轮迭代中已经为此优化器调用了 scaler.unscale_(optimizer)，因此 scaler.step(optimizer) 知道在（内部）调用 optimizer.step() 之前不需要重复取消缩放梯度。

警告

unscale_ 应在每次 step 调用中针对每个优化器仅调用一次，并且仅在该优化器分配的参数的所有梯度累积完成后调用。step 调用之间为给定优化器调用 unscale_ 两次将触发 RuntimeError。

处理缩放后的梯度

梯度累积

梯度累积将梯度累加到有效批次大小为 batch_per_iter * iters_to_accumulate（如果是分布式则 * num_procs）的批次上。缩放应针对有效批次进行校准，这意味着 inf/NaN 检查、如果找到 inf/NaN 梯度则跳过步骤，以及缩放更新应以有效批次粒度进行。此外，在给定有效批次的梯度累积期间，梯度应保持缩放状态，并且缩放因子应保持不变。如果在累积完成之前梯度被取消缩放（或缩放因子改变），则下一次反向传播会将缩放后的梯度加到未缩放的梯度（或按不同因子缩放的梯度）上，此后无法恢复 step 必须应用的累积的未缩放梯度。

因此，如果您想取消缩放梯度（例如，允许裁剪未缩放的梯度），请在 step 之前调用 unscale_，在即将到来的 step 的所有（缩放后）梯度累积完成后进行。此外，仅在您为完整的有效批次调用了 step 的迭代结束时调用 update

scaler = GradScaler()

for epoch in epochs:
    for i, (input, target) in enumerate(data):
        with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
            output = model(input)
            loss = loss_fn(output, target)
            loss = loss / iters_to_accumulate

        # Accumulates scaled gradients.
        scaler.scale(loss).backward()

        if (i + 1) % iters_to_accumulate == 0:
            # may unscale_ here if desired (e.g., to allow clipping unscaled gradients)

            scaler.step(optimizer)
            scaler.update()
            optimizer.zero_grad()

梯度惩罚

梯度惩罚实现通常使用 torch.autograd.grad() 创建梯度，将它们组合以创建惩罚值，并将惩罚值添加到损失中。

这里是一个没有梯度缩放或自动类型转换的普通 L2 惩罚示例

for epoch in epochs:
    for input, target in data:
        optimizer.zero_grad()
        output = model(input)
        loss = loss_fn(output, target)

        # Creates gradients
        grad_params = torch.autograd.grad(outputs=loss,
                                          inputs=model.parameters(),
                                          create_graph=True)

        # Computes the penalty term and adds it to the loss
        grad_norm = 0
        for grad in grad_params:
            grad_norm += grad.pow(2).sum()
        grad_norm = grad_norm.sqrt()
        loss = loss + grad_norm

        loss.backward()

        # clip gradients here, if desired

        optimizer.step()

要实现带有梯度缩放的梯度惩罚，传递给 torch.autograd.grad() 的 outputs Tensor 应被缩放。因此，产生的梯度将被缩放，并且在组合以创建惩罚值之前应取消缩放。

此外，惩罚项计算是前向传播的一部分，因此应包含在 autocast 上下文中。

对于相同的 L2 惩罚，它看起来是这样的

scaler = GradScaler()

for epoch in epochs:
    for input, target in data:
        optimizer.zero_grad()
        with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
            output = model(input)
            loss = loss_fn(output, target)

        # Scales the loss for autograd.grad's backward pass, producing scaled_grad_params
        scaled_grad_params = torch.autograd.grad(outputs=scaler.scale(loss),
                                                 inputs=model.parameters(),
                                                 create_graph=True)

        # Creates unscaled grad_params before computing the penalty. scaled_grad_params are
        # not owned by any optimizer, so ordinary division is used instead of scaler.unscale_:
        inv_scale = 1./scaler.get_scale()
        grad_params = [p * inv_scale for p in scaled_grad_params]

        # Computes the penalty term and adds it to the loss
        with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
            grad_norm = 0
            for grad in grad_params:
                grad_norm += grad.pow(2).sum()
            grad_norm = grad_norm.sqrt()
            loss = loss + grad_norm

        # Applies scaling to the backward call as usual.
        # Accumulates leaf gradients that are correctly scaled.
        scaler.scale(loss).backward()

        # may unscale_ here if desired (e.g., to allow clipping unscaled gradients)

        # step() and update() proceed as usual.
        scaler.step(optimizer)
        scaler.update()

使用多个模型、损失和优化器

如果您的网络有多个损失，您必须单独对每个损失调用 scaler.scale。如果您的网络有多个优化器，您可以单独对其中任何一个调用 scaler.unscale_，并且必须单独对每个优化器调用 scaler.step。

然而，scaler.update 应该只调用一次，在本次迭代中使用的所有优化器都已执行 step 后调用

scaler = torch.amp.GradScaler()

for epoch in epochs:
    for input, target in data:
        optimizer0.zero_grad()
        optimizer1.zero_grad()
        with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
            output0 = model0(input)
            output1 = model1(input)
            loss0 = loss_fn(2 * output0 + 3 * output1, target)
            loss1 = loss_fn(3 * output0 - 5 * output1, target)

        # (retain_graph here is unrelated to amp, it's present because in this
        # example, both backward() calls share some sections of graph.)
        scaler.scale(loss0).backward(retain_graph=True)
        scaler.scale(loss1).backward()

        # You can choose which optimizers receive explicit unscaling, if you
        # want to inspect or modify the gradients of the params they own.
        scaler.unscale_(optimizer0)

        scaler.step(optimizer0)
        scaler.step(optimizer1)

        scaler.update()

每个优化器都会检查其梯度是否存在 inf/NaN，并独立决定是否跳过该步骤。这可能导致一个优化器跳过步骤而另一个不跳过。由于跳过步骤很少发生（每几百次迭代一次），这不应阻碍收敛。如果您在为多优化器模型添加梯度缩放后观察到收敛不良，请报告错误。

使用多个 GPU

此处描述的问题仅影响 autocast。GradScaler 的用法保持不变。

单个进程中的 DataParallel

即使 torch.nn.DataParallel 会生成线程在每个设备上运行前向传播。autocast 状态会在每个线程中传播，以下代码将起作用

model = MyModel()
dp_model = nn.DataParallel(model)

# Sets autocast in the main thread
with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
    # dp_model's internal threads will autocast.
    output = dp_model(input)
    # loss_fn also autocast
    loss = loss_fn(output)

DistributedDataParallel，每个进程一个 GPU

torch.nn.parallel.DistributedDataParallel 的文档建议每个进程使用一个 GPU 以获得最佳性能。在这种情况下，DistributedDataParallel 不会在内部生成线程，因此 autocast 和 GradScaler 的用法不受影响。

DistributedDataParallel，每个进程多个 GPU

在这种情况下，torch.nn.parallel.DistributedDataParallel 可能会生成一个子线程来在每个设备上运行前向传播，类似于 torch.nn.DataParallel。解决方法是相同的：将 autocast 应用为模型的 forward 方法的一部分，以确保它在子线程中启用。

Autocast 和自定义 Autograd 函数

如果您的网络使用了自定义 autograd 函数（torch.autograd.Function 的子类），则如果任何函数满足以下条件，就需要进行更改以实现 autocast 兼容性

• 接受多个浮点 Tensor 输入，

• 包装任何可自动类型转换的操作（参见Autocast 操作参考），或

• 需要特定的 dtype（例如，如果它包装了仅针对该 dtype 编译的CUDA 扩展）。

在所有情况下，如果您正在导入函数且无法更改其定义，一个安全的备用方案是在发生错误的任何使用点禁用 autocast 并强制以 float32（或 dtype）执行

with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
    ...
    with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16, enabled=False):
        output = imported_function(input1.float(), input2.float())

如果您是该函数的作者（或可以更改其定义），一个更好的解决方案是使用 torch.amp.custom_fwd() 和 torch.amp.custom_bwd() 装饰器，如下面的相关示例所示。

具有多个输入或可自动类型转换操作的函数

分别将 custom_fwd 和 custom_bwd（不带参数）应用于 forward 和 backward。这确保 forward 在当前的 autocast 状态下执行，而 backward 在与 forward 相同的 autocast 状态下执行（这可以防止类型不匹配错误）

class MyMM(torch.autograd.Function):
    @staticmethod
    @custom_fwd
    def forward(ctx, a, b):
        ctx.save_for_backward(a, b)
        return a.mm(b)
    @staticmethod
    @custom_bwd
    def backward(ctx, grad):
        a, b = ctx.saved_tensors
        return grad.mm(b.t()), a.t().mm(grad)

现在可以在任何地方调用 MyMM，无需禁用 autocast 或手动转换输入

mymm = MyMM.apply

with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
    output = mymm(input1, input2)

需要特定 dtype 的函数

考虑一个需要 torch.float32 输入的自定义函数。将 custom_fwd(device_type='cuda', cast_inputs=torch.float32) 应用于 forward，将 custom_bwd(device_type='cuda') 应用于 backward。如果 forward 在启用了 autocast 的区域运行，装饰器会将浮点 Tensor 输入转换为由参数 device_type（本例中为 CUDA）指定的设备上的 float32，并在 forward 和 backward 期间本地禁用 autocast

class MyFloat32Func(torch.autograd.Function):
    @staticmethod
    @custom_fwd(device_type='cuda', cast_inputs=torch.float32)
    def forward(ctx, input):
        ctx.save_for_backward(input)
        ...
        return fwd_output
    @staticmethod
    @custom_bwd(device_type='cuda')
    def backward(ctx, grad):
        ...

现在可以在任何地方调用 MyFloat32Func，无需手动禁用 autocast 或转换输入

func = MyFloat32Func.apply

with autocast(device_type='cuda', dtype=torch.float16):
    # func will run in float32, regardless of the surrounding autocast state
    output = func(input)