大模型分布式训练面试精解：DP/TP/PP与ZeRO全指南

文章以面试问答形式介绍大模型分布式训练核心技术，包括数据并行(DP)、流水线并行(PP)、张量并行(TP)和ZeRO优化策略。详细解析各并行方式原理、适用场景及叠加条件(3D并行)，分析多机多卡环境下的技术挑战与显存限制解决方案，为LLM训练提供全面技术指导和优化思路。

本篇来总结一些分布式训练的知识，还是按照面经的形式给出，希望能给到大家一些帮助。

题目

1 训练一个LLM，需要的显存规模跟参数的关系是什么？

\2. 如果有N张显存足够大的显卡，怎么加速训练？

\3. 如果有N张显卡，但每个显卡显存都不足以装下一个完整的模型，应该怎么办？

\4. PP推理时是串行的，1个GPU计算但其他空闲，有什么其他的优化方式？

\5. DP、TP、PP这3种并行方式可以叠加吗？

\6. 3D并行或者直接上多机多卡的ZeRO的条件是什么？

答案

1. 训练一个LLM，需要的显存跟参数的关系是什么？

主要公式是 模型本身占用显存 + 多个batch数据运算的存储 ， 跟实际精度，模型大小、中间变量计算以及batch邮官

2. 如果有N张显存足够大的显卡，怎么加速训练？

数据并行（DP），充分利用多张显卡的算力。

3. 如果有N张显卡，但每个显卡显存都不足以装下一个完整的模型，应该怎么办？

PP，流水线并行，需要分层加载，把不同的层加载到不同的GPU上（accelerate的device_map）

4. PP推理时是串行的，1个GPU计算但其他空闲，有什么其他的优化方式？

1. 流水线并行（PP）， 横向切分，也就是分层加载到不同的显卡上。
2. 张量并行（TP），纵向切分，在 DeepSpeed 里叫模型并行（MP）

下面来简单梳理一下DP，PP，TP，ZeRO以及其中MP的关系。

• DP Data parallelism

数据并行算法在多个设备上都拷贝一份完整的模型参数，彼此之间可以独立计算，所以每个设备传入的输入数据不一样，这也是为什么叫数据并行。

只不过每隔一段时间（比如一个batch或者若干个batch）后需要彼此之间同步模型权重的梯度。

• PP Pipeline Parallelism

属于 Model Parallelism (MP)， 模型并行算法，它是模型做层间划分，即inter-layer parallelism。

以下图为例，如果模型原本有6层，你想在2个GPU之间运行pipeline，那么每个GPU只要按照先后顺序存3层模型即可。

• TP Tensor Parallelism

Tensor Parallelism就是对模型层内做划分，也叫inter-layer parallelism。

就是把一个变量分散到多个设备并共同完成某个或多个计算操作。对于单个 Tensor/Op 很大 或者模型很大（如GPT3, chatGPT等）的情况，Tensor parallelism 的重要性非常明显。

TP最好带入到不同的模型中去学习，比较好的参考是Megatron-LM，这个可以参考 【 深度学习并行训练算法一锅炖: DDP, TP, PP, ZeRO 】 - https://zhuanlan.zhihu.com/p/581677880 ；另外还有GPT模型训练，这个可以参考【 LLM（六）：GPT 的张量并行化（tensor parallelism）方案】 - https://zhuanlan.zhihu.com/p/603908668 这篇。

• ZeRO

这个之前有比较详细的介绍。

5. DP、TP、PP这3种并行方式可以叠加吗？

可以，DP+TP+PP，这就是3D并行。

如果真有1个超大模型需要预训练，3D并行是必不可少的。

单卡80g，可以完整加载小于40B的模型，但是训练时需要加上梯度和优化器状态，5B模型就是上限了，更别说 activation的参数也要占显存，batch size还得大。而现在100亿以下（10B以下）的LLM只能叫small LLM。

6. 3D并行或者直接上多机多卡的ZeRO的条件是什么？

3D并行的基础是，节点内显卡间NVLINK超高速连接才能上TP。显卡有没有NVLINK都是个问题。

Zero3 需要满足通信量，假设当65B模型用Zero3，每一个step的每一张卡上需要的通信量是195GB（3倍参数量），也就 是1560Gb。万兆网下每步也要156s的通信时间，非常不现实。

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​最后

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