jax.pmap

jax.pmap#

jax.pmap(fun, axis_name=None, *, in_axes=0, out_axes=0, static_broadcasted_argnums=(), devices=None, backend=None, axis_size=None, donate_argnums=(), global_arg_shapes=None)[source]#

支持集体操作的并行映射。

pmap() 的目的是表达单程序多数据 (SPMD) 程序。将 pmap() 应用于函数将使用 XLA 编译该函数（类似于 jit()），然后将其并行执行在 XLA 设备上，例如多个 GPU 或多个 TPU 核。从语义上讲，它与 vmap() 相似，因为这两种变换都将函数映射到数组轴上，但 vmap() 通过将映射轴下推到原始操作中来向量化函数，而 pmap() 则复制函数并在其各自的 XLA 设备上并行执行每个副本。

映射轴的大小必须小于或等于可用本地 XLA 设备的数量，该数量由 jax.local_device_count() 返回（除非指定了 devices，详见下文）。对于嵌套的 pmap() 调用，映射轴大小的乘积必须小于或等于 XLA 设备的数量。

注意

pmap() 会编译 fun，因此虽然它可以与 jit() 结合使用，但通常没有必要。

pmap() 要求所有参与设备必须是相同的。例如，无法使用 pmap() 在两种不同型号的 GPU 上并行化计算。目前，同一设备在同一个 pmap 中参与两次会导致错误。

多进程平台： 在多进程平台（例如 TPU Pods）上，pmap() 旨在用于 SPMD Python 程序，其中每个进程运行相同的 Python 代码，从而所有进程以相同的顺序运行相同的 pmapped 函数。每个进程仍应调用 pmapped 函数，其映射轴大小等于本地设备的数量（除非指定了 devices，详见下文），并且照常返回具有相同前导轴大小的数组。然而，fun 中的任何集体操作都将通过设备间通信在所有参与设备（包括其他进程上的设备）上进行计算。从概念上讲，这可以被视为在跨进程分片的单个数组上运行 pmap，其中每个进程只“看到”其输入和输出的本地分片。SPMD 模型要求所有设备上必须以相同的顺序运行相同的多进程 pmap，但它们可以与在单个进程中运行的任意操作交错。

参数:

fun (可调用对象) – 要映射到参数轴上的函数。其参数和返回值应为数组、标量或（嵌套的）标准 Python 容器（元组/列表/字典）及其组合。由 static_broadcasted_argnums 指示的位置参数可以是任何内容，只要它们是可哈希的并且定义了相等操作。
axis_name (AxisName | 无) – 可选参数，一个可哈希的 Python 对象，用于标识映射轴，以便可以应用并行集合操作。
in_axes (int | 无 | 序列[任意类型]) – 一个非负整数、None 或其嵌套的 Python 容器，指定要映射哪些位置参数的轴。作为关键字传递的参数总是映射到它们的前导轴（即轴索引 0）。详见 vmap()。
out_axes (任意类型) – 一个非负整数、None 或其嵌套的 Python 容器，指示映射轴应出现在输出的哪个位置。所有带有映射轴的输出都必须有一个非 None 的 out_axes 规范（详见 vmap()）。
static_broadcasted_argnums (int | 可迭代对象[int]) –
一个整数或整数集合，指定哪些位置参数应被视为静态（编译时常量）。仅依赖于静态参数的操作将进行常量折叠。使用不同的常量值调用 pmapped 函数将触发重新编译。如果 pmapped 函数在调用时提供的位置参数少于 static_broadcasted_argnums 指示的数量，则会引发错误。每个静态参数都将被广播到所有设备。非数组或其容器的参数必须标记为静态。默认为 ()。

静态参数必须是可哈希的，这意味着 __hash__ 和 __eq__ 都已实现，并且它们应该是不可变的。
devices (序列[xc.Device] | 无) – 这是一个实验性功能，API 可能会发生变化。可选参数，一个要映射的设备序列。(可用设备可以通过 jax.devices() 获取)。在多进程设置中，每个进程必须提供相同的设备列表（因此将包括跨进程的设备）。如果指定，映射轴的大小必须等于给定进程本地序列中的设备数量。目前不支持在内部或外部 pmap() 中指定 devices 的嵌套 pmap()。
backend (str | 无) – 这是一个实验性功能，API 可能会发生变化。可选参数，表示 XLA 后端的字符串。可以是 'cpu'、'gpu' 或 'tpu'。
axis_size (int | 无) – 可选参数；映射轴的大小。
donate_argnums (int | 可迭代对象[int]) –
指定哪些位置参数缓冲区“捐赠”给计算。如果计算完成后您不再需要参数缓冲区，则可以安全地捐赠它们。在某些情况下，XLA 可以利用捐赠的缓冲区来减少执行计算所需的内存量，例如回收您的一个输入缓冲区来存储结果。您不应重用捐赠给计算的缓冲区，如果您尝试这样做，JAX 将会引发错误。请注意，donate_argnums 仅适用于位置参数，关键字参数将不会被捐赠。

有关缓冲区捐赠的更多详细信息，请参阅 FAQ。
global_arg_shapes (元组[元组[int, ...], ...] | 无)

返回:

fun 的并行化版本，其参数与 fun 的参数对应，但在 in_axes 指示的位置具有额外的数组轴，并且输出具有一个额外的前导数组轴（具有相同的大小）。

返回类型:

任意类型

例如，假设有 8 个 XLA 设备可用，pmap() 可以用作沿前导数组轴的映射

>>> import jax.numpy as jnp
>>>
>>> out = pmap(lambda x: x ** 2)(jnp.arange(8))  
>>> print(out)  
[0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49]

当前导维度小于可用设备数量时，JAX 将简单地在设备子集上运行

>>> x = jnp.arange(3 * 2 * 2.).reshape((3, 2, 2))
>>> y = jnp.arange(3 * 2 * 2.).reshape((3, 2, 2)) ** 2
>>> out = pmap(jnp.dot)(x, y)  
>>> print(out)  
[[[    4.     9.]
  [   12.    29.]]
 [[  244.   345.]
  [  348.   493.]]
 [[ 1412.  1737.]
  [ 1740.  2141.]]]

如果您的前导维度大于可用设备数量，您将收到错误

>>> pmap(lambda x: x ** 2)(jnp.arange(9))  
ValueError: ... requires 9 replicas, but only 8 XLA devices are available

与 vmap() 一样，在 in_axes 中使用 None 表示参数没有额外的轴，并且应该在副本之间进行广播，而不是映射。

>>> x, y = jnp.arange(2.), 4.
>>> out = pmap(lambda x, y: (x + y, y * 2.), in_axes=(0, None))(x, y)  
>>> print(out)  
([4., 5.], [8., 8.])

请注意，pmap() 总是返回映射在其前导轴上的值，这等同于在 vmap() 中使用 out_axes=0。

除了表达纯映射之外，pmap() 还可以用于表达通过集体操作进行通信的并行单程序多数据 (SPMD) 程序。例如：

>>> f = lambda x: x / jax.lax.psum(x, axis_name='i')
>>> out = pmap(f, axis_name='i')(jnp.arange(4.))  
>>> print(out)  
[ 0.          0.16666667  0.33333334  0.5       ]
>>> print(out.sum())  
1.0

在此示例中，axis_name 是一个字符串，但它可以是任何定义了 __hash__ 和 __eq__ 的 Python 对象。

pmap() 的参数 axis_name 命名了映射轴，以便集体操作（例如 jax.lax.psum()）可以引用它。轴名称特别重要，尤其是在嵌套的 pmap() 函数中，集体操作可以在不同的轴上进行。

>>> from functools import partial
>>> import jax
>>>
>>> @partial(pmap, axis_name='rows')
... @partial(pmap, axis_name='cols')
... def normalize(x):
...   row_normed = x / jax.lax.psum(x, 'rows')
...   col_normed = x / jax.lax.psum(x, 'cols')
...   doubly_normed = x / jax.lax.psum(x, ('rows', 'cols'))
...   return row_normed, col_normed, doubly_normed
>>>
>>> x = jnp.arange(8.).reshape((4, 2))
>>> row_normed, col_normed, doubly_normed = normalize(x)  
>>> print(row_normed.sum(0))  
[ 1.  1.]
>>> print(col_normed.sum(1))  
[ 1.  1.  1.  1.]
>>> print(doubly_normed.sum((0, 1)))  
1.0

在多进程平台上，集体操作在所有设备上执行，包括其他进程上的设备。例如，假设以下代码在两个进程上运行，每个进程有 4 个 XLA 设备：

>>> f = lambda x: x + jax.lax.psum(x, axis_name='i')
>>> data = jnp.arange(4) if jax.process_index() == 0 else jnp.arange(4, 8)
>>> out = pmap(f, axis_name='i')(data)  
>>> print(out)  
[28 29 30 31] # on process 0
[32 33 34 35] # on process 1

每个进程传入一个不同的长度为 4 的数组，对应于其 4 个本地设备，psum 操作将作用于所有 8 个值。从概念上讲，这两个长度为 4 的数组可以被视为一个分片后的长度为 8 的数组（在此示例中等同于 jnp.arange(8)），该数组被映射，其中长度为 8 的映射轴被命名为“i”。然后，每个进程上的 pmap 调用会返回相应的长度为 4 的输出分片。

devices 参数可以用来精确指定哪些设备用于运行并行计算。例如，再次假设单个进程有 8 个设备，以下代码定义了两个并行计算，一个在前六个设备上运行，另一个在剩余两个设备上运行。

>>> from functools import partial
>>> @partial(pmap, axis_name='i', devices=jax.devices()[:6])
... def f1(x):
...   return x / jax.lax.psum(x, axis_name='i')
>>>
>>> @partial(pmap, axis_name='i', devices=jax.devices()[-2:])
... def f2(x):
...   return jax.lax.psum(x ** 2, axis_name='i')
>>>
>>> print(f1(jnp.arange(6.)))  
[0.         0.06666667 0.13333333 0.2        0.26666667 0.33333333]
>>> print(f2(jnp.array([2., 3.])))  
[ 13.  13.]

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