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テンソル並列

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テンソル並列

テンソル並列性は、モデルの重み行列をデバイス間で分割します。各デバイスは、各レイヤーの列方向("colwise")または行方向("rowwise")のスライスを保持し、部分結果を計算します。レイヤーの境界での AllReduce または AllGather により、部分結果が結合されて完全な出力が生成されます。コンテキスト並列性 とは異なり、デバイスごとの重みメモリを削減するため、モデルが1つのデバイスに収まらない場合に有効です。他の戦略との比較については、分散推論を参照してください。

シャード化されたモデルを読み込む

Pass a TensorParallelConfig to the parallel_config argument of the model’s from_pretrained(). tp_degree is the number of devices to shard across and must divide the model’s number of attention heads. The model’s class must define a _tp_plan, which maps module names to a sharding style. To check whether a model supports tensor parallelism, look for this attribute on its class, such as Flux2Transformer2DModel.

別のモデルにプランを追加するには、モデルにテンソル並列性を追加するを参照してください。

この方法で読み込むと、チェックポイントが読み込まれる際にシャード化されます。各ランクは各重みの自分のスライスのみを読み取り、それを直接その GPU に配置するため、どのランクもフルサイズの重みを保持することはありません。ランクあたりのメモリは、tp_degree が増加するにつれて減少します。

import os
import torch
from torch import distributed as dist
from diffusers import DiffusionPipeline, Flux2Transformer2DModel, TensorParallelConfig

def main():
    dist.init_process_group(backend="nccl")
    rank, world_size = dist.get_rank(), dist.get_world_size()
    # torchrun sets LOCAL_RANK to this process's GPU index on its node
    local_rank = int(os.environ["LOCAL_RANK"])
    device = torch.device(f"cuda:{local_rank}")
    torch.cuda.set_device(device)

    # Each rank reads only its own shard of every planned weight, straight onto its own GPU.
    transformer = Flux2Transformer2DModel.from_pretrained(
        "black-forest-labs/FLUX.2-dev",
        subfolder="transformer",
        dtype=torch.bfloat16,
        parallel_config=TensorParallelConfig(tp_degree=world_size),
    )

    pipeline = DiffusionPipeline.from_pretrained(
        "black-forest-labs/FLUX.2-dev", transformer=transformer, dtype=torch.bfloat16
    )
    # The transformer is already on its device; move the remaining components individually. Do not call
    # `pipeline.to(device)` — that would move every rank's shards onto the same device.
    pipeline.text_encoder.to(device)
    pipeline.vae.to(device)

    generator = torch.Generator().manual_seed(42)
    image = pipeline(prompt="a cat holding a sign that says hello", generator=generator).images[0]
    if rank == 0:
        image.save("output.png")
    dist.destroy_process_group()

if __name__ == "__main__":
    main()

スクリプトをtensor_parallel_flux2.pyとして保存し、torchrunで起動します。

torchrun --nproc-per-node 4 tensor_parallel_flux2.py

スクリプトはtp_degreeをworld_sizeに設定するため、--nproc-per-node 4によりtransformerが4つのGPUにシャードされます。

トランスフォーマーのみがシャーディングされます。各ランクはテキストエンコーダーの完全なコピーを保持するため、各GPUにはテキストエンコーダーとトランスフォーマーの割り当て分を収めるのに十分なメモリが必要です。

読み込みパフォーマンス

parallel_config を使用して読み込むと、フルモデルを読み込んだ後に enable_parallelism() を呼び出す場合よりも、ランクあたりの CPU メモリ使用量が少なく、読み込みが高速になります。下表は、4x A10G (23GB) 上で black-forest-labs/FLUX.2-dev (transformer のみ、32B パラメータ、bf16) について得られた結果を示しています。

tp_degreeメソッド読み込み時間ピークCPU/ランク
4from_pretrained(parallel_config=...)12.5s6.8GB
4from_pretrained + enable_parallelism30.4s64.1GB

制約事項

Tensor parallelismは一部の読み込みオプションや機能と互換性がなく、シャード化されたモデルを保存することはできません。

  • parallel_config を使用したテンソル並列での読み込みは、device_map、quantization_config、low_cpu_mem_usage=False、use_flashpack=True、または非 safetensors 形式の重みとは互換性がありません。これらを使用すると、完全なチェックポイントを静かに読み込む代わりに、エラーが発生します。
  • テンソル並列性を量子化、オフロード、またはLoRAアダプターと組み合わせると、モデルがどのようにシャーディングされていても、エラーが発生します。
  • メモリに既に読み込まれているモデルをシャーディングするには、同じ設定でenable_parallelism()を呼び出します。この場合、まずモデル全体を読み込んでからシャーディングを行うため、すべてのランクで完全なチェックポイントのメモリが必要です。parallel_configで読み込むと、このコストを回避できます。
  • テンソル並列モデルを保存すると、save_pretrained()でエラーが発生します。シャーディングする前にモデルを保存してください。

モデルにテンソル並列性を追加する

このセクションは、Diffusersモデルにテンソル並列性のサポートを追加したいコントリビューター向けです。

Tensor parallelism は、モジュール名とシャーディングスタイルを対応付けるクラス属性である _tp_plan を定義しているモデルでのみ機能します。この定義を作成する際は、主に、隠れ次元を 拡張 する射影と、それを元に戻して 縮小 する射影をペアにする必要があります。

各キーには*を最大1つまで含めることができ、*の前の部分はnn.ModuleListに解決されなければなりません。これにより、1つのエントリがすべてのブロックをカバーします。*を含まないキーはモデル自体に適用されます。パスはモデルを基準とした相対パスです。

Colwise と rowwise

スタイルシャード各ランク用途
"colwise"出力特徴(weightの次元0)出力のスライスを計算しますto_q、to_k、to_v、FFN の入力射影
"rowwise"入力特徴(weight 次元 1)部分和を計算しますto_out.0、FFN 出力投影
"rowwise_split_input"入力特徴(weight 次元 1)レプリケートされた入力のスライスから部分和を計算します入力値が複製された独立した投影。例えば、タイムステップ埋め込みを読み込む AdaLN 変調投影など

"colwise" と "rowwise" は、必ずこの順序でペアにしてください。"colwise" 投影は出力をシャードしたまま残し、続く "rowwise" 投影はそのシャードを直接消費し、ブロック境界での単一の AllReduce によって結果が再構築されます。このペアを他の方法でシャードすると、中間で gather が発生し、通信量が大幅に増加します。

Attention において、列方向の Q、K、V 投影により、各ランクにヘッドのサブセットが割り当てられるため、tp_degree はヘッド数で割り切れる必要があります。エンコーダストリームの複製(add_q_proj、to_add_out、ff_context)は、画像ストリームの対応する部分と同じパターンに従います。

融合された投影

1つのLinearがシャード対象の次元に沿って複数の論理テンソルをパックしている場合、単純な"colwise"/"rowwise"スライスでは連結を横断してそのままスライスされてしまい、各パーツがずれてしまいます。代わりにPackedColwiseParallel/PackedRowwiseParallelを使用してください。これにより、各パックされたブロックが独立してシャードされます。

# in src/diffusers/models/transformers/your_model.py
from ...hooks.tensor_parallel import PackedColwiseParallel, PackedRowwiseParallel

blocks は、パックされた次元を割り切れる整数のリストを指定します。例えば、等しい半分を持つ SwiGLU の gate と up projection には [1, 1] を、mlp_ratio=3 を持つ融合された Q、K、V、gate、up projection には [1, 1, 1, 3, 3] を使用します。

"transformer_blocks.*.ff.linear_in": PackedColwiseParallel([1, 1]),

ブロックサイズが設定ファイルからのみ判明する場合、blocksを省略し、代わりに__init__の時点でLinearに絶対サイズを_tp_packed_col_blocksまたは_tp_packed_row_blocksとして保存してください。

# in the attention module's __init__
self.to_out._tp_packed_row_blocks = [self.inner_dim, self.mlp_hidden_dim]
# in the model's _tp_plan
"single_transformer_blocks.*.attn.to_out": PackedRowwiseParallel(),

transformer_flux2.py の計画では、両方の形式を使用しています。ダブルストリームの SwiGLU ペアは blocks を直接渡します。融合されたシングルストリームの QKV および MLP 投影は、mlp_ratio および mlp_mult_factor に依存するため、そのサイズを Flux2ParallelSelfAttention.__init__ 内の Linear に保存します。

除外する項目

計画に含まれていないモジュールは、すべてのランクに複製されます。正規化レイヤー、パッチおよびテキストの埋め込み、そして最終的なnorm_outとproj_outは除外してください。これらはサイズが小さいため、シャーディングしてもメモリ削減の効果は限定的であり、通信コストが増加します。AdaLNのモジュレーション(img_modとtxt_mod)も、通常は小さいため除外して問題ありません。MiniMax-H3のadaln_proj.linearのようにサイズが大きい場合は、"rowwise_split_input"でシャーディングしてください。

制約と検証

  • tp_degreeはconfig.num_attention_headsで割り切れる必要があります。
  • すべてのパックされたブロックは、合計値だけでなく、それぞれ個別にtp_degreeで割り切れる必要があります。

from_pretrained() と enable_parallelism() は、重みの読み込みやシャーディングを行う前に、両方をチェックします。

目視ではなく数値的に新しいプランを検証します。固定のシードで単一デバイス上で生成し、次にテンソル並列環境下で再度生成して、出力を比較します。"colwise"/"rowwise"の配置が誤っていても、通常は実行され、妥当に見えますが誤った画像が生成されます。

類似アーキテクチャの既存のプランから開始します。

  • transformer_qwenimage.py には融合された投影が含まれていないため、すべてのエントリは単なる "colwise" または "rowwise" です。
  • transformer_flux.pyは、1つのパックされた行方向の射影を追加します。
  • transformer_flux2.py は、両方のパックスタイルを使用しています。
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