如何让语言模型充分利用GPU:针对大规模并行设备的N-gram

爱丁堡大学的论文《N-gram language models for massively parallel devices》介绍了用于大规模并行设备的 N-gram 语言模型。机器之心技术分析师对该论文进行了解读。

论文：https://aclweb.org/anthology/P/P16/P16-1183.pdf

引言

这篇论文谈的是用于大规模并行设备（GPU）的 N-gram 语言模型，这是最早为 GPU 设计的语言模型（至少在这篇论文发表时是这样）。N-gram 语言模型的查询速度存在计算瓶颈，而且尽管 GPU 擅于计算，但在 GPU 上却并不好实现，因为还不存在针对 GPU 的已有的数据结构类型。这个问题导致我们无法完全发挥 GPU 的效力。

1 背景

也许有的读者并不真正了解 N-gram 模型是什么，因此首先我会先简要介绍一些基本概念：

N-gram 语言模型

参阅：https://lagunita.stanford.edu/c4x/Engineering/CS-224N/asset/slp4.pdf

为词序列分配概率的模型被称为语言模型（LM）。N-gram 是目前最简单的语言模型。N-gram 是 N 个词构成的序列：2-gram（bi-gram）是两个词构成的词序列，比如“please turn”；3-gram（tri-gram）是三个词构成的词序列，比如“please turn your”。

我们需要关注的有两点（至少这篇论文是这么说的）：

• 给定之前的词，如何使用 N-gram 模型来估计 N-gram 中最后一个词的概率？
• 如何将概率分配给整个序列？

（注意：我们通常会丢弃“模型”这个词，这样 N-gram 既可表示词序列本身，也可表示为其分配概率的预测模型。这或许会产生一点术语歧义。）

对数概率

为什么为语言模型使用对数概率？因为（按照定义）概率是小于或等于 1 的，所以相乘的概率越多，所得到的积就会越小。乘上足够多的 N-gram 就会导致数值下溢。通过使用对数概率而非原始概率，我们能得到不会那么小的值。在对数空间中相加等效于在线性空间中相乘，这样我们就可以通过加法来将对数概率结合到一起。在对数空间中执行所有计算和存储是很方便的，如果我们想查看结果，只需要将结果转换到普通概率空间既可，即求该对数概率的指数：p1 × p2 × p3 × p4 = exp(log p1 +log p2 +log p3 +log p4)

2 这篇论文的动机

因为 N-gram 语言模型的查询速度在 CPU 上存在计算瓶颈（Heafield (2013) 和 Green et al. (2014) 在静态机器翻译任务上展现了这一问题，而且众所周知神经网络需要大量计算），因此人们转而使用 GPU。但是，GPU 采用了特殊的结构设计，在很多方面都不同于 CPU，使用已有的数据结构和算法很难最大化对这一资源的利用。

这篇论文提出了首个专门为这种硬件（GPU）设计的语言模型，它使用了 trie，其中每个节点都由 B-tree 表示，这能最大化数据并行以及最小化内存占用和延迟。

3 GPU 计算模型

比起 CPU，GPU 有很多更小的核，它们各自都实现一个线程，而且其中很多都属于下图所示的一个器件。本质上，在 GPU 上是并行的函数或核执行计算，并会定义一个将被应用的数据元素网格（如下所示）。每个计算都由一个并行线程的模块处理。每个任务都会被分配一整个包（warp）——至少 32 个核。因此，如果这个任务不需要所有这些核，那么剩下的核就会闲置。GPU 编程的更多信息可参考：https://people.maths.ox.ac.uk/gilesm/old/pp10/lec2_2x2.pdf

因为运行需要内存存取，所以我们希望使用较小的数据结构。当一个线程向全局内存请求一个字节时，数据会与很多周围的字节一起被复制到共享内存，这样我们就可以使用聚合的读取访问内存了。避免分支指令能充分利用计算资源以及防止线程闲置。从图中可以看到，需要较长时间才能访问全局 GPU 内存，所以我们需要最小化全局内存访问（Bogoychev and Lopez, 2016）。

注意：这里给出一个例子帮助你理解我们应该避免分支指令的原因：如果 a=0，那么 b=1；否则 b=2。我们首先必须评估其条件，然后处理接下来的指令。只有满足条件的线程才会运行，其它线程则会闲置。这能部分地解释我们在并行架构中需要分支的原因。

4 简单介绍 Backoff 语言模型

设有一个句子 w1 w2 w3 w4 … wi，其中 wi 是指第 i 个词。N-gram 模型将 w 的概率定义为：

Chen And Goodman (1999) 根据 N-gram 概率定义了 Backoff 语言模型：

这针对的是从 1 到 N 的所有 N，使用了两个参数：N-gram 参数

和

我们可以简单地将它们视为数值参数以简化我们的阐述，所以我们有：

我们可以用 (a) 和 (b) 得到等式 (2)。因此，如果可以轻松得到 p_hat 和 β，我们就可以通过等式 (2) 得到 n-gram 概率。Bogoychev 和 Lopez 基于这种计算设计了一种语言模型数据结构。这篇论文中设计的数据结构可以有效访问这些参数。

5 大规模并行语言模型（这篇论文的成果）

Trie 语言模型

Bogoychev 使用了 Heafield (2011) 设计的 trie 数据的变体来满足上述 Backoff 语言模型的计算需求。（其实验证明了这一假设：trie 更慢的查询速度可以通过 GPU 的吞吐量得到补偿。我们后面会谈到这一实验。）下面展示了一些常见数据结构的细节，以满足 Backoff 和在 GPU 上实现的需求。他选择了 Trie 作为基本结构：

注意：本文假设读者对 Backoff 语言模型已有一定了解；这是描述性的，而不是教程。要真正理解究竟发生了什么，你也许应该尝试下面的练习：假设你有 5-gram“I like pie with rhubarb”，你想要根据上面的 (2) 式计算 P(rhubarb | I like pie with)。

1. 如果 p_hat(rhubarb | I like pie with) > 0，你会使用哪几项？
2. 如果 p_hat(rhubarb | I like pie with) = 0 但 p_hat(rhubarb | like pie with) > 0，你会使用哪几项？
3. 如果 p_hat(rhubarb | like pie with) = 0 但 p_hat(rhubarb | pie with) > 0，你会使用哪几项？

……这应当有助于使该递归过程清晰。

我们将 n-gram 键值存储在一个有序数组 A 中，并将它们的相关值

存储在同等长度的数组 V 中。

我想用一个真实案例来解释这篇论文中的逆 trie 模型的过程、K-ary 搜索和 B-tree。

逆 trie（基于Bogoychev and Lopez 中的图像）

这里用绿色展示了 N-gram “I like basketball”的路径。对 N-gram “they like basketball”的查询能遍历同一路径，但最后的节点中没有“they”，因此它会为键值 b

返回键值对，并且由于 backoff 参数 β(they like)，只会返回根一次。对于更大的 n，只需迭代式地检索计算式 (2) 所需的参数。

注意：原论文这一段第五行有一个错误，描述了当 n>1 时的查询过程：

这与我们刚刚描述的一样，因为这里没有任何与 K 有关的描述，作者也确认了这个错误。

K-ary 搜索和 B-tree

上面描述的 trie 搜索算法效率不高，需要太多次搜索。K-ary 搜索的速度比二元搜索更快，但需要从全局内存读取数据，因为完整的 trie 必须驻留于全局内存中以适应大型语言模型。Bogoychev 和 Lopez 使用 B-tree（Bayer and McCreight）来替换连续内存位置中的 K 个元素，使得它们可以从全局内存被复制到共享内存，以便合并读取。

所以其完整的数据结构是 trie，其中根节点之外每个节点都是一个 B-tree。根节点包含所有可能的键（unigram），这可以由在没有任何搜索的恒定时间内索引的数组表示。下图准确地展示了这一数据结构（来自 Bogoychev 的论文）：

在这幅图中，第一行是 unigram。第二行是 2-gram，第三行是 3-gram。（注意：小图 1 是来自那一段根的 4-ary。）

B-tree 节点包含 K 个子节点相对地址（非全局地址以节省空间）、键 w 和关联值

6 实验和结论

这篇论文设计了七个实验并将该模型与另一个已有的语言模型 KenLM（Heafield, 2011）进行了比较，考虑了实践中的资金成本和性能。

• GPU：英伟达 Geforce GTX, 于 2015 年第一季度发布（1000 美元）
• CPU：单线程的 CPU 测试，英特尔 Quad Core i7 4720HQ，于 2015 年第一季度发布（280 美元）
• 多线程 CPU：两个英特尔 Xeon E5-2680 CPU，能提供 16 核和 32 线程（3500 美元）

查询速度

上表通过修改 KenLM 的线程数而对这两个模型进行了比较。当 KenLM 的表现优于 gLM 时，CPU 的成本也更高（3500 比 1000），所以从经济角度看，gLM 在这一实验中更优。

B-tree 节点大小的影响

随着节点增大，吞吐量（每秒的 n-gram 查询）也会增大，直到达到 33 的节点大小，接着吞吐量陡然下降。

使 GPU 饱和

这一实验比较了吞吐量随批大小的变化情况，以观察我们何时能使 GPU 饱和，以充分利用 GPU。

模型大小和 N-gram 顺序对性能的影响

第四个实验展示了不同语言模型大小下的性能（吞吐量）。

第五个实验展示了不同 n-gram 顺序下的性能（吞吐量）。

此外，这篇论文还通过改变内存类型验证了 gLM 的计算限制，但语言模型通常受 CPU 上的内存限制。

总结和个人看法

这篇论文为我们展现了一个新领域：探索 GPU 上的基本数据结构。因为 GPU 和 CPU 之间的差异，高效利用 GPU 是非常重要的。这篇论文认为，gLM 模型并没有在真实的机器翻译系统上实现。因为 NMT 通常运行在 GPU 上，所以这可能是一个提升 NMT 的好方法。