# NVMe offload

作者: Hongxin Liu

**前置教程:**
- [基于Chunk内存管理的零冗余优化器 (ZeRO)](../features/zero_with_chunk.md)

**相关论文**

- [ZeRO-Offload: Democratizing Billion-Scale Model Training](https://arxiv.org/abs/2101.06840)
- [ZeRO-Infinity: Breaking the GPU Memory Wall for Extreme Scale Deep Learning](https://arxiv.org/abs/2104.07857)
## 引言

如果模型具有`N`个参数，在使用 Adam 时，优化器状态具有`8N`个参数。对于十亿规模的模型，优化器状态至少需要 32 GB 内存。 GPU显存限制了我们可以训练的模型规模，这称为GPU显存墙。如果我们将优化器状态 offload 到磁盘，我们可以突破 GPU 内存墙。

我们实现了一个用户友好且高效的异步 Tensor I/O 库：[TensorNVMe](https://github.com/hpcaitech/TensorNVMe)。有了这个库，我们可以简单地实现 NVMe offload。

> 该库与各种磁盘（HDD、SATA SSD 和 NVMe SSD）兼容。由于 HDD 或 SATA SSD 的 I/O 带宽较低，建议仅在 NVMe 磁盘上使用此库。

在优化参数时，我们可以将优化过程分为三个阶段：读取、计算和 offload。我们以流水线的方式执行优化过程，这可以重叠计算和 I/O。

<figure style={{textAlign: "center"}}>
<img src="https://s2.loli.net/2022/08/16/CvRnowrsNyB4hza.jpg"/>
<figcaption>优化过程</figcaption>
</figure>


## 使用

首先，请确保您安装了 [TensorNVMe](https://github.com/hpcaitech/TensorNVMe):

```shell
pip install packaging
pip install tensornvme
```

我们为 Adam ([CPUAdam](https://colossalai.readthedocs.io/en/latest/colossalai/colossalai.nn.optimizer.cpu_adam.html) 和 [HybridAdam](https://colossalai.readthedocs.io/en/latest/colossalai/colossalai.nn.optimizer.hybrid_adam.html)) 实现了优化器状态的 NVMe offload。

```python
from colossalai.nn.optimizer import CPUAdam, HybridAdam

optimizer = HybridAdam(model.parameters(), lr=1e-3, nvme_offload_fraction=1.0, nvme_offload_dir='./')
```

`nvme_offload_fraction` 是要 offload 到 NVMe 的优化器状态的比例。 `nvme_offload_dir` 是保存 NVMe offload 文件的目录。如果 `nvme_offload_dir` 为 `None`，将使用随机临时目录。

它与 ColossalAI 中的所有并行方法兼容。
