1、前言
推荐领域算法模型的在线推理是一个对高并发、高实时有较强要求的场景。算法最初是基于 Wide & Deep 相对简单的网络结构进行建模，容易满足高实时、高并发的推理性能要求。但随着广告模型效果优化进入深水区，基于 Transformer 用户行为序列和 Attention 的建模逐渐成为主流，这个阶段模型的特点是参数的体量、网络结构复杂度呈指数级增长，算法建模的创新工作往往由于吞吐和耗时的性能算力问题，导致无法落地于在线推理获得效果收益。传统通过扩容资源的方式，其边际效应也在减弱，算力优化存在诸多挑战：
1、高算力需求下的资源成本边际效应问题：集群资源扩容是提升算力的一种传统方案，但算力需求的增加往往需要成倍数的资源增长才能抹平，带来了极强的边际递减效应。
2、复杂算法模型的在线推理算力扩展问题：推理引擎要求低延迟和高吞吐，而随着模型算法复杂度提升，突破计算资源算力上限（存储、计算），推理耗时显著增加，无法满足实时推荐系统的性能要求。
针对上述挑战和问题，广告算法架构在迭代演变的过程中，构建了一系列的优化体系，主要集中在两个方面：
1、架构层面：设计分布式分图异构计算框架，通过模型分图，分布式推理实现算力的向外扩展；CPU&GPU 异构硬件差异化部署，算法结构与计算硬件资源相得益彰，最大化硬件适配性，实现算力的指数级增长。算力扩展的架构使得后续垂向优化成为可能，可以针对特定业务需求进行深度定制和调整。
2、高算力推理引擎层面：从底层架构出发，GPU 算子调度和计算逻辑精细化优化，深入挖掘 GPU 专用计算设备的潜力，实现对推理性能的显著提升。
2、分布式分图异构计算框架
分布式分图异构计算框架是我们针对算力扩展问题提出的解决方案，通过模型结构化拆分，分布式分图计算，CPU&GPU 异构硬件差异化部署，使算法结构与计算硬件资源高度适配，充分发挥各自优势。基于 CPU 计算集群构建大规模稀疏模型建模，利用内存资源易扩展等优势，支撑千亿规模参数的高性能推理。基于 GPU 计算集群构建稠密模型建模，利用高算力优势，支撑超长用户行为序列建模，为算法建模的创新提供了坚实的架构基础。我们基于该框架进一步研发并落地了京东零售首个 Online Learning 建模场景，使得模型可以感知人、货、场的实时变化。同时 GPU 服务集群作为独立于整体服务体系的组成部分，便于针对 GPU 推理引擎进行专项优化，从而便捷地进行性能提升措施的实施。
图 1 分布式分图异构计算框架
3、高算力推理引擎
为了打造高算力推理引擎，开始深入调研基于 GPU 推理引擎优化推理性能的可行性，GPU 作为一种高度并行的多核处理器，具备极强的并行计算能力，由于 GPU 高度并行化的结构，先天适合以稠密矩阵计算为主的 NLP、CV 领域。但直接应用于推荐领域会存在 TP99 耗时上涨，资源利用率不高等问题。这主要与推荐领域模型的自身特点相关：
1、建模过程复杂：为建模用户与商品关系，推荐领域模型建模不仅包含 DNN 等稠密计算部分，还存在大量针对稀疏特征的 Embedding 建模方式以及特征预处理等模块，集合了 IO 密集与计算密集两大特性，造成计算过程与 GPU 亲和性不高，难以充分发挥 GPU 的硬件优势。
2、模型规模大：推荐领域模型以稀疏参数为主，百 G 规模参数无法完全加载至 GPU 显存，稀疏参数交换导致带宽需求高，造成 GPU 无法充分利用。
3、模型结构复杂：用户行为序列建模成为模型建模的主流方法，而用户特征的多样性（浏览行为、购买行为、加购行为）需要单独建模以提升模型对用户的感知能力，因此造成模型分支结构多，结构复杂。TensorFlow 推理框架虽然提供了算子级别的建模方案，通过堆叠细粒度算子完成各种复杂的模型建模，灵活的支撑了多种行为序列建模方式。但也因此造成了算子粒度过细，单算子计算量小，不易于 GPU 充分调度的问题，尤其是对于在线推理本身计算量就相对较小的场景问题更为致命。
得益于分布式分图异构计算框架，有效解决了上述 1，2 问题，并且可以让我们针对 GPU 算子调度和计算逻辑精细化优化，深入挖掘 GPU 专用计算设备的潜力，实现对推理性能的显著提升。具体工作体现在以下三个方面：a）TensorBatch：通过聚合计算请求提升 GPU 计算吞吐；b）深度学习编译器：通过自动化的算子融合、图优化等方式优化模型推理性能；c）多流计算：通过打造 GPU 多计算通道，构建真正的并行计算推理引擎。
3.1、TensorBatch
广告精排模型推理主要表现是单个请求耗时较短 (毫秒级)，同时每个请求中 gpu kernel 调用次数较多，每次 gpu kernel 的调度都会伴随相应的 kernel launch，琐碎繁多的 kernel launch 会严重制约 GPU 模型的吞吐能力，同时会导致模型系统耗时较高，通过 Nsight 性能分析性能数据如下。
图 2 大批量 KernelLaunch 操作
kernel launch 本质上是从 host 端核函数调用到 GPU 开始计算之间的这段时间，主要包括准备计算需要数据的传输和执行需要 warp 线程束的获取，无论是数据的传输还是选取执行所需要的 warp 线程束，多个请求之间是可以实现共享的，因此我们核心解决问题的思路是将多个模型推理请求合并成一个请求，完成模型推理后在对结果再进行合理的分割，减少请求级别 kernel launch 的数量，极大的提升 kernel launch 的效率，从而进一步提升 GPU 模型的吞吐能力，架构方案如 图 3， 例如 1 个模型请求经过 tensorflow 推理需要进行 1000 次 kernel launch，3 个请求需要 3000 次 kernel launch，如果将 3 个请求合并成 1 个请求，那么 kernel launch 数量会从 3000 降至 1000。
图 3 Tensor Batch 架构图
请求级别算子融合在广告精排模型进行全量上线，在 GPU 利用率不变的情况下，GPU 模型吞吐能力提升 2 倍。请求级别融合本质是优化 GPU kernel launch 效率，但是优化 GPU kernel launch 效率方案不止一种，下面详细介绍一下基于"深度学习编译器"的算子融合。
3.2、深度学习编译器
KernelLaunch 效率问题优化方面，我们首先采用了 TensorBatch 方案，在广告算法场景，调试聚合数量在 5-8 左右较为合适（聚合后广告数 200-1000）。虽然对请求进行了聚合，但算子执行的 TimeLine 仍较稀疏，如图 5 所示，该现象解释了 GPU 无法得到充分利用的原因。针对这一现象，我们进一步研发了基于深度学习编译器的算子融合方案，通过算子融合 n 次 KernelLaunch 至 1 次，大大降低整体 KernelLaunch 耗时，同时通过图优化等策略进一步提升模型的推理性能。
图 4 GPU Kernel 计算稀疏
3.2.1 深度学习编译器分桶预编译技术
XLA（Accelerated Linear Algebra）是 google 开源的深度学习编译器，将高级别的模型描述转换成高效的可执行代码，自动化的解决算子融合、内存管理、数据布局转换等问题。该框架已融合进 Tensorflow 开源框架中，并提供较友好的编程接口。但原生深度学习编译器在推荐领域模型应用方面存在一系列问题：
a）同一个 XLA Graph 针对不同的 Tensor 输入属性（数量、维度、类型）会触发不同的编译流程，形成多个 XLA Runtime（编译结果），导致开源方案只适用于 CV 领域，定长输入（图像维度不变）的场景。推荐领域模型变长特征（用户行为序列）的存在使得在推理过程构建万级别数量的 XLA Runtime（编译结果），在显存消耗上不可接受。
b）Tensorflow-XLA 为运行时编译（JIT），编译过程缓慢，通常完成一个 XLA Runtime 的编译耗时长达 1 秒，且对 CPU、GPU 资源占用较大，在广告高实时场景下，耗时不可接受。
针对上述问题，我们研发了深度学习编译器分桶预编译技术。为避免不同特征维度导致的多次编译问题，首先对算法结构进行 XLA 子图划分，形成多个 XLA 子图。其次针对 XLA 子图的输入特征变长情况，实现分桶 Padding 能力，降低 XLA Runtime 编译数量，解决了编译中遇到的显存问题。最后通过模型 XLA 子图分桶标记算法，在模型加载阶段进行预编译，解决运行时编译耗时问题。
在深度学习编译器技术加持下，我们将广告推荐精排模型的算子调度次数从 553 次优化至 190 次，XLA 子图模块的算子执行的 TimeLine 得到极大改善，单次推理耗时从 14ms 优化至 9ms。
图 5 XLA Runtime
3.2.2 深度学习编译器异步编译技术
通过深度学习编译器分桶预编译技术，我们解决了 99.9% 的问题，但仍有异常流量导致特征维度超出预设的分桶范围，导致触发运行时编译的可能。作为一个高稳定的在线系统，我们进一步实现了异步编译技术，解决异常流量带来的耗时问题：
a）模型构图方面，同时保留 XLA 子图与模型原图。
b）推理过程动态选择，命中分桶情况则选择 XLA Runtime 执行，未命中则选择原图执行，同时服务后台触发异步 XLA 编译，供下次请求使用。
图 6 深度学习编译器异步编译
3.3、多流计算
图 7 GPU 多流计算背景
Tensorflow 深度学习框架虽然提供了 GPU 计算能力，但其 CPU 到 GPU 的交互通道仅为单通道模式。在线并发推理的场景下，存在算子调度互斥、算子计算阻塞排队等问题。针对上述痛点我们设计了 GPU 多通道模式 - 多流计算架构，真正实现了 GPU 的并发计算能力。
我们对 Tensorflow 框架中的底层 GPU 通道的创建和分配机制进行了深入的改造与升级，赋予了其在面对同一模型时，针对不同的在线请求，动态选择 GPU 通道进行运算的能力。每个 GPU 通道独立持有一份 CUDA Stream 和 CUDA Context，既消除了算子并发调度导致的 GPU 资源争抢问题，也使得不同请求拥有独立的计算通道，提升 GPU 并行粒度。
图 8 多 GPU 通道
多 GPU 通道（多 CudaStream + 多 CudaContext）解决了 KernelLaunch 调度问题，算子调度可以并行执行，减少了执行的 GAP。但在 GPU 硬件层面，CudaContext 采用分时复用原则，即此某一时刻只有一个 CudaContext 被调度执行，没有完全达到算子计算间的并行。
图 9 GPU Kernel 交错计算
MPS + 多流计算框架实现真正意义的并行计算
MPS 局限性：MPS(Multi-Process Service) 是英伟达为充分利用 GPU 资源的一种解决方案。MPS 多进程服务，每个进程有自己的上下文管理机制，MPS 使用合并共享的并行模式，即将多个任务合并成一个上下文，因此可以同时跑多个任务，是真正意义上的并行。但 MPS 方案需要多进程服务的场景下才能生效，这种情况下单卡显存无法承载多进程任务，显存成为瓶颈，MPS 机制失效，无法充分利用 GPU 算力。
图 10 Multi-Process Service 局限性
因此，我们升级了多流计算架构，将 MPS 与自研的多 CudaStream + 多 CudaContext 的多流计算架构相结合，解决了显存瓶颈的问题，最终通过单进程模型部署实现真正的并行计算。
图 11 GPU Kernel 并行计算
综上，我们实现了完整的 GPU 多流计算框架：创建多组通信渠道打通软件和硬件通道，融合调度 Context 实现真正的计算并行化。
图 12 GPU 多流计算架构图
4、总结
综上，通过设计高性能的计算方案，打造新一代算法架构推理体系，在架构层面通过分布式分图异构方案很好的解决了高算力需求下的资源成本边际效应问题，在高算力推理引擎层面，通过一系列的专项优化，让 GPU 的算力得到充分的释放，实现复杂算法模型算力的扩展。目前新一代的高性能计算方案已经在广告多个业务线进行了落地实践，推荐首页 CTR 模型、推荐通用信息 CTR 模型、推荐商详 CTR 的规模扩展至千亿，助力推荐、搜索等核心业务取得显著的效果收益。
高性能算法推理系统是算法架构体系的重要组成部分，为算法建模的创新提供了算力基础，算力优化是一个极富挑战性的领域，它需要我们在技术层面上不断进行探索、学习和创新。目前，我们正在着手规划下一代推理算法架构体系，其最显著的特点将是算法、计算能力和架构的深度融合，以及在线和离线一体化的设计方案。
感谢广告架构师小组的架构师们和算法方向的专家们在算法架构体系建设方面提供的宝贵指导建议。同时我们诚挚地邀请对此领域感兴趣的同事们加入我们的讨论。相信通过大家的共同努力和协作，一定能够在这个前沿领域取得突破，为未来的推理算法架构体系开辟新的可能性和机遇。
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