性能提升、成本降低,这是分布式强化进修算法最新研究进展

深度强化进修(Deep Reinforcement Learning,DRL)是一种公认的解决连续决策问题的有效技术。为了应对 DRL 的数据低效(data inefficiency)问题,受到分布式机器进修技术的启发,分布式深度强化进修 (distributed deep reinforcement learning,DDRL) 已提出并成功应用于盘算机视觉和自然语言处理领域。有观点认为,分布式强化进修是深度强化进修走向大规模应用、解决复杂决策空间和长期规划问题的必经之路。分布式强化进修是一个综合的研究子领域,需

深度强化进修(Deep Reinforcement Learning,DRL)是一种公认的解决连续决策问题的有效技术。为了应对 DRL 的数据低效(data inefficiency)问题,受到分布式机器进修技术的启发,分布式深度强化进修 (distributed deep reinforcement learning,DDRL) 已提出并成功应用于盘算机视觉和自然语言处理领域。有观点认为,分布式强化进修是深度强化进修走向大规模应用、解决复杂决策空间和长期规划问题的必经之路。分布式强化进修是一个综合的研究子领域,需要深度强化进修算法以及分布式体系设计的互相感知和协同。考虑到 DDRL 的巨大进步,我们梳理形成了 DDRL 技术的展历程、挑战和机遇的系列文章。我们在 part 1 部分回顾了经典的 DDRL 框架,在本部分,我们利用三篇论文,具体分析 DDRL 的今生 — 最新研究进展。1、SRL: Scaling Distributed Reinforcement Learning to Over TenThousand Cores [1] ICLR’24

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本文为来自清华大学和上海期智研究院 Yi Wu(吴翼)教授研究团队的工作,该团队主要研究方向包括深度强化进修、多智能体进修、自然语言基础、大规模进修体系。本文已被 ICLR’24 录用。ICLR 是机器进修领域重要的学术会议质疑,每年举办一次。2024 年是第十二届,将于 5 月 7 日至 11 日在维也纳召开。据统计,本届会议共收到了 7262 篇论文,整体接收率约为 31%。强化进修(RL)任意的复杂性与日俱增,需要分布式 RL 体系高效地生成和处理海量数据来训练智能 agent。然而,现有的开源库存在各种局限性,阻碍了它们在需要大规模训练的挑战性场景中的实际应用。尽管 OpenAI 和 DeepMind 的工业化体系已经成功实现了大规模 RL 训练,但它们的体系架构和实现细节仍未向社区公开。本文针对 RL 训练的数据流提出了一种新颖的体系抽象概念,它将不同应用中的实际 RL 训练统一到一个通用而灵活的框架中,并实现了细粒度的体系级优化。根据这一抽象概念,作家开发了一种 scalable、高效、extensible 的分布式 RL 体系,称为 ReaLly Scalable RL(SRL)。SRL 的体系架构分离了主要的 RL 盘算组件,允许大规模并行化训练。作家还引入了一系列技术来进一步优化体系性能。此外,SRL 还提供用户友好和可扩展的界面,便于开发定制算法。本文评估表明,无论是在单机还是在中型集群中,SRL 的性能都优于现有的 libraries。在大规模集群中,SRL 的新型架构与现有 libraries 采用的设计相比,速率提高了 3.7 倍。1.1 架构设计出发点现有许多开源 RL 体系都为特定应用场景提供了解决方案。然而,其中只有少数是通用的 (general-purposed)。作家发现这些体系在架构设计和实现方面都有其局限性。首先,在架构设计方面,大多数开源体系都对可用盘算资源做了假设,如硬件加速器的类型和物理位置,以及可用盘算设备之间的比例。因此,它们的架构倾向于紧密结合多个盘算组件,并将其映射到物理上位于同一节点的设备上。因此,在定制的本地集群中部署时,这可能会损害体系性能。例如,Sample Factory [4] 和 Rlpyt [5] 专门用于在本地机器上举行 RL 训练,不假定分布式盘算资源是可用的。其他考虑到分布式设置的库通常可分为两类:IMPALA -style [6] 和 SEED -style [7]。以 RLlib 和 ACME 为代表的 IMPALA -style 架构(图 1 顶部)假定用于情况模拟和政策推断的盘算资源之间存在紧耦合。在这种设置下,政策推断只能在与情况位于同一节点的 CPU 或 GPU 上举行。运用 CPU 举行政策模型推理本身效率就不高,而运用本地 GPU 举行推理也存在严重缺陷。根据应用场景的不同,情况模拟速率、观测值大小和政策模型大小的变化很容易造成本地 GPU 的推理空闲或过载,从而导致严重的资源浪费。此外,如果 agent 在多 agent 情况中遵循不同的政策,本地 GPU 必须维护多个政策模型,从而导致大量内存占用,并限制了该节点可容纳的情况数量。SEED-style 架构(图 1 下)主要假定有独立的 TPU 内核可用于训练和政策推理。然而,在运用 GPU 而不是多核 TPU 的情况下,要同时处理推理和训练会很吃力。此外,在运用异构 GPU 时,训练吞吐量会因梯度同步中的滞后而受到限制。

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图 1. RLlib/ACME(上)和 SeedRL(下)的实现,采用 IMPALA/SEED-style 架构。前者将情况模拟和政策推理合并在一个线程中,后者则将政策推理和训练合并在一个 GPU 上。请注意,在 SEED -style 中,运转情况模拟的 GPU 节点依靠训练 GPU 节点举行政策推断,而在 IMPALA -style 中,它们依靠本地 CPU/GPU 举行政策推断其次,考虑到实现问题,开源的分布式体系无法在多个节点上扩展训练,这可能会阻碍需要复杂政策和大批量的复杂任意的 RL 训练。具体来说,RLlib 和 ACME 只能分别通过 Python threaded trainer1 和 jax.pmap2 支持本地多 GPU 训练,而 SeedRL 只能在单 GPU 上运转。第三,开源库主要集中于中小型规模,导致实施简化,对细粒度性能优化的考虑有限。因此,这些体系导致训练吞吐量低下,尤其是在大规模场景中。通过对它们的设计和实现举行分析,作家发现了几种可能的优化方法,能够显著提高体系性能。应用这些修改后,训练吞吐量有了显著提高,从而使 SRL 的性能大大超过了现有体系。此外,尽管现有的一些开源库提供了通用接口,允许用户定制情况和 RL 算法(如 RLlib),但它们的算法实现与其体系 API 紧密相连。这些体系提供的用户友好界面可以扩展体系组件,这就限制了它们与复杂 RL 算法的兼容性,因为这些算法要求的盘算量超出了主要 RL 盘算组件的范围。主要 RL 盘算组件包括:1)情况模拟(Environment simulation)根据 actions 产生观察结果和奖励。这种盘算通常运用外部黑盒程序执行,如游戏或物理引擎,通常在 CPU 上执行;2)政策推理(Policy inference)从观察中生成 actions,观察是通过神经收集政策的推理(也称为前向传播)举行的。该体系可以运用 CPU 或 GPU 设备举行政策推理,尽管在采用 GPU 时可能具有明显的性能优势;3)训练(Training)运用收集的轨迹在 GPU 上执行梯度下降迭代以改进政策。目前,人们正在努力解决这些限制。MSRL [8] 采用一种编译方法,将本地运转的用户代码转换为 "片段",这些 "片段" 由一组标记边界和定义数据流的 "注释" 划分。然而,与 SRL 相比,这种方法有其缺点。首先,MSRL 可编译的盘算和通信应用程序接口受到很大限制,这套应用程序接口只能支持经典的 RL 算法(如 DQN 和 PPO),用户无法对其举行扩展。其次,MSRL 在实现过程中没有考虑体系级盘算优化,导致训练效率大大降低。第三,MSRL 在将用户端实现分解为可执行的 "片段" 时,会遵循一组预先确定的调度计划。但是,这些调度计划仍然沿用现有的架构(即 IMPALA/SEED-style),只能满足特定 RL 应用的需要。最后,表 1 给出了一系列 SRL 的对比方法的工作能力。作家表示,据他们所知,SRL 是第一个能提供所有所需特性(包括可扩展性、效率和可扩展性)的学术体系。

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                                 表 1. 开源 RL 体系实施能力1.2 SRL 架构1.2.1 SRL 的 high-level 设计为了解决以往设计的局限性,作家对 RL 训练的数据流提出了一种新的抽象。在该抽象中,SRL 由多个相互连接的 "workers" 组成,这些 workers 承载着不同的 "任意处理程序",如情况和 RL 算法。这些 workers 通过数据 "流" 连接,并由后台 "服务" 提供支持。基于这个简单的抽象概念,作家开发了 SRL 架构,如图 2 所示。SRL 包含三种核心 worker 类型:actor worker、policy worker 和 trainer worker,他们负责 RL 训练任意中的三项关键工作。Actor worker 模拟情况 — 他们根据接收到的操作生成奖励和下一步观察结果。Policy worker 执行神经政策的批量前向传播,根据观察结果生成动作。Trainer worker 运转给定训练样本的随机梯度下降步骤来革新政策。Actor worker 向 policy worker 发出包含观察结果的推理请求,policy worker 通过生成的行动做出响应。作家将这种 client-server 通信模式抽象为推理流。在举行情况模拟的同时,actor worker 会在本地缓冲区中积累 observation-action-reward 三元组,并定期将它们发送给 trainer worker。作家将这种推拉通信模式抽象为样本流。每个训练步骤结束后,革新的参数会被推送到参数服务器,该服务器会处理 policy worker 为参数同步而提出的拉取请求。

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图 2. SRL 的核心组件。蓝色箭头表示 worker 和数据流之间的 dataflow。蓝色方框代表负责盘算工作负载的 worker。橙色方框代表数据流,负责 worker 之间的通信。灰色方框代表服务,也就是本文提及的参数服务器与以往的设计不同,SRL 中的所有 worker 都可以独立调度,并分布在多台拥有异构资源的机器上,从而在各种资源设置(包括本地机器和大型集群)下实现大规模并行和高效的资源利用。如图 3 所示,作家将抽象化的 worker 实例化为不同盘算节点上的进程,并将数据流实例化为套接字或共享内存块。每个工作进程都会分配到适合其任意的特定数量的盘算资源,工作进程通过最有效的可用接口举行连接,这种接口可以是用于节点间通信的收集接口,也可以是用于进程间通信的共享内存接口。因此,SRL 的新型架构不仅以清晰的设计和实现统一了现有的本地和分布式架构,还能在现有架构无法实现的场景中实现高效的调度、资源分配和数据通信。此外,SRL 清晰的设计实现了细粒度的性能优化,与现有库相比,即使运用相同的架构,速率和可扩展性也有显著提高。此外,高级抽象还产生了一个简洁的用户界面,使扩展现有 RL 算法和定制 worker 变得更加容易。1.2.2 SRL 的体系组件要说明的是,以下内容假定了大多数流行的 RL 算法的典型工作流程,以便清楚地介绍这些算法。确实有一些 RL 算法需要更复杂的体系设计。SRL 也可以轻松支持这些不寻常的算法。1.2.2.1  actor worker 和 policy worker。actor worker 负责托管情况,处理黑盒情况程序的执行。情况模拟通常独立于每个 actor,因此在盘算资源充足的情况下,可以直接举行大规模并行化。另一方面,policy worker 托管 RL agent(或政策),并为 actor worker 提供批量推理服务。它们可以有效利用 GPU 设备来加速神经政策的前向传播。情况模拟通常分为几个阶段。在每一阶段的开始,actor worker 会重置其情况并获得第一个观测值。然后,在每一个情况步骤之前,每个 actor worker 都会发送上一个步骤(或初始重置)的观察结果,并请求 policy worker 采取行动,以继续下一个步骤。Actor Worker 本身就是为多 agent 而设计的,例如:(1) 不同的 Actor Worker 可以容纳不同数量的 agent;(2) agent 可以异步浏览情况(如果情况返回 "无",则跳过);(3) agent 可以通过连接不同的流来应用不同的政策。这种灵活的设计使 SRL 能够处理更复杂、更现实的应用场景。policy worker 会 flush 从多个 Actor Worker 处接收到的推理请求,用批量观测结果盘算政策模型的前向传递,并用输出行动对其做出响应。为了使政策模型保持最新,policy worker 还需要不时地从参数服务器获取参数。数据传输、参数同步和神经收集推理由三个不同的线程处理。我们注意到,在某些情况下,例如没有 GPU 设备可用或收集带宽非常有限时,在单独的机器上启动 policy worker 可能并不可取。policy worker 实现还支持本地 CPU 模式,作家称之为 inline inference。在这种情况下,推理流模块将确保在 actor 与其相关本地 policy worker 之间直接传输数据,并举行适当的批处理,而无需运用收集。虽然 inline inference 模式在概念上与 RLlib 和 ACME 相似,但在不同的硬件支持下,Actor Worker 和 policy worker 的实现方式保持不变,从而提高了实际运用的灵活性。1.2.2.2 Trainer workers。Trainer workers 负责盘算梯度下降迭代。它们接收来自 actor worker 的样本。每个 Trainer workers 都嵌入了一个缓冲区,用于存储等待被提取到 GPU 的样本。在每次梯度下降迭代之前,Trainer workers 都会从数据缓冲区汇总一批样本,并将其加载到 GPU 设备中。CPU 和 GPU 上的工作分为两个线程。SRL 支持跨节点的多 GPU 训练。通过 multi-GPU 训练设计,每个 Trainer workers 都被精确分配到一个 GPU 设备上,这意味着一个 Trainer workers 是训练盘算的最小单位。需要注意的是,RL 中的政策模型通常很小(见表 2),因此在大多数应用中不需要模型并行化。因此,作家在 multi-trainer 设计中采用了单程序多数据(single-program multi-data,SPMD)模式。对于一大批样本,作家将样本平均分配给多个 trainer,每个 trainer 都有一份相同的政策模型。每个 trainer 运用自己的副本盘算梯度,并在每次训练迭代结束时同步梯度,革新最终政策模型。Trainer workers 运用 PyTorch 分布式数据并行( Distributed Data Parallel,DDP)作为后端,与 trainer 举行通信并同步梯度。此外,在某些情况下,单个 trainer 可能无法充分利用 GPU 的盘算能力。为了防止不必要的盘算能力浪费,作家允许其他 worker(如 policy worker)与 trainer worker 共享一个 GPU。

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                                  表 2.RL 与监督进修的模型大小对比1.2.2.3 样本流和推理流。SRL 确定了 workers 之间两种最基本的数据传输类型。一种是在 actor worker 和 policy worker 之间交换观察结果和行动;另一种方法是将样本从 actor worker 发送给 trainer worker。与这两类数据传输相对应,作家开发了推理流和样本流,它们具有不同的数据传输模式。推理流需要是双工的,因为 actor worker 会发送推理请求,而 policy worker 则需要回复。同时,样本流是单工的。只有 actor worker 向 trainer worker 发送训练样本,而 trainer worker 无需回复。对于收集传输,作家将推理流作为一对 request-replay socket 来实现,将样本流作为一对 push-pull sockets 来实现。对于本地共享内存传输,作家将推理流实例化为一个固定的共享内存块,即为每个客户端分配一个读写槽,将样本流实例化为一个精心设计的共享内存 FIFO 队列。作家还讨论了数据流的一些特殊用例。在某些 RL 应用(如多 agent RL 和基于群体的训练)中,需要在一次训练实验中训练多个政策模型。这表明,不同的 actor worker 需要与持有特定政策模型的特定 policy worker 和 trainer worker 群体举行通信。因此,一个实验中可能需要多个样本流和推理流实例。不同的数据流在各组 worker 之间建立独立的、可能重叠的通信,以确保来自不同政策的数据不会相互污染。1.2.2.4 参数服务器。在 RL 训练中,用于训练的政策模型和政策推理需要定期同步。在 SRL 中,参数服务器是政策模型的中间站。一段时间后,trainer workers 会向参数服务器推送革新版本的政策模型。policy worker 会偶尔检查参数服务器中政策模型的版本。如果参数服务器存储了革新的版本,policy worker 就会立即调用模型。由于与监督进修相比,RL 应用中的大多数政策模型规模并不大(见表 2),因此参数服务器通常不会成为 SRL 的瓶颈。作家提供了两种参数服务器实现,一种基于 NFS,另一种运转后台服务线程,向每个节点广播革新的参数,供 policy worker 查询。根据作家的经验,NFS 变体的吞吐量足以满足常用需求,因此作家在所有实验中都采用了 NFS 变体。1.2.2.5 控制器 。在 SRL 中,实验表示一个完整的 RL 训练任意,需要在有多个节点的大型集群上运转。图 3 显示了运用 SRL 在集群上运转实验的步骤。作家将整个实验运转分为以下 5 个步骤:(1) 用实验配置启动控制器并应用资源。(2) 运用资源管理器分配资源。(3) 运用控制器启动和配置 worker。(4) worker 连接数据流并运转任意。(5) 完成实验后,停止 worker。在此过程中,控制器是一个关键组件。它从资源管理器分配资源,处理实验配置,管理 worker 和数据流的生命周期。它的实现分为两个部分。第一部分是资源管理器服务的客户端(作家运用 slurm [9] 作为集群中的资源管理器)。第二个是 RPC 客户端,用于启动 Worker(作为 RPC 服务器)并向 Worker 发送请求。

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                                              图 3. 在集群上运转 SRL 实验。圆圈中的数字代表此过程中的步骤1.2.3 用户友好型和可扩展设计除了可扩展性强和效率高之外,SRL 还提供用户友好和可扩展的界面,允许在其框架内开发和执行定制的情况、政策、算法和架构。SRL 中的政策和算法与体系设计相分离,允许用户开发新的变体,而无需运用任何与体系相关的接口。作家在代码 1 中演示了一个具体实例。要实现 Deep Q-Network,用户只需编写一个政策文件(用于定义政策在数据收集和训练过程中的行为)和一个算法文件(用于指定如何盘算从政策中获取的数据的标量损失)。这些文件可以完全独立于现有的算法实现和体系应用程序接口,这样用户就可以专注于算法开发,而不必被繁重的体系代码所困扰。

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                          Code 1:简化深度 Q-learning 的 Python 示例。用户无需了解任何与体系相关的 API,即可编写新的神经收集模型和 RL 算法此外,SRL 还为新 workers 和数据流提供了多种配置选项和通用接口,便于完全定制数据流和算法模块。作家在 Code 2 和 Code 3 中介绍了两个实际例子。第一个实例描述了这样一种情况:情况返回的奖励必须运用预先训练好的(大型)神经收集模型来盘算,而不是程序本身。通过 SRL,用户可以创建一个额外的哨兵 agent 来盘算奖励。该 agent 与另一个推理流和 policy worker 相连,而推理流和 policy worker 是奖励模型的主机。每个情况步骤结束后,真实 agent 返回 "无",哨兵 agent 发出奖励盘算推理请求。奖励返回后,哨兵 agent 返回 "无",真实 agent 返回下一步观察结果和盘算出的奖励,以推进情况模拟。在第二个例子中,SRL 使附加盘算模块的实施成为可能,该模块支持对先前生成的样本举行定期再处理。虽然该模块不属于图 1 中描述的主要盘算组件,但用户可以通过继承基本 Worker 类并覆盖 Worker 的执行步骤来轻松创建一个自定义的 BufferWorker,以执行此类盘算。这种基于 Worker 的自定义功能进一步促进了框架内复杂 RL 训练例程的开发。

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                                       图 4. 强化进修的 Vanilla 实现

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                         Code 2:在托管大型预训练模型的远程 policy worker 中盘算奖励的配置示例

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                           Code 3:SRL 中的工作程序接口(Worker API)和用于数据再处理的定制缓冲工作程序的实施此外,作家还提出了一些优化 SRL 的方法,感兴趣的读者可以阅读原文。1.3 实验分析作家对 SRL 举行实证评估,重点关注两个关键指标:训练吞吐量和进修性能。训练吞吐量指的是体系每秒处理梯度革新样本帧的速率,而进修性能则衡量生成最优解所需的 wall-clock 时间。实验在两种资源设置下举行评估(所有物理内核都启用了超线程功能,并作为 2 个逻辑内核盘算):(1) 本地单机设置:32 个物理 CPU 内核、512GB DRAM 和一个 Nvidia 3090 GPU。(2) 分布式集群设置:4 个节点,64 个物理 CPU 内核和 8 个 Nvidia A100 GPU + 64 个节点,128 个物理 CPU 内核和一个 Nvidia 3090 GPU。集群中的每个节点都有 512GB DRAM,并通过 100 Gbps 集群内收集相互连接。集群的存储通过 NFS 和参数服务实现,所有节点均可运用。1.3.1 训练吞吐量作家比较了 SRL 与基线方法在本地和分布式情况下的性能。运用的评估指标是每秒训练情况帧数 (FPS),即所有 trainer worker 每秒消耗的情况帧数。作家在一组学术情况中举行了实验,包括 Atari 2600 游戏(Atari)(游戏 Pong)、Google Research Football(gFootball)(场景 11_vs_11)、StarCraft Multi-Agent Challenge(SMAC)(地图 27m_vs_30m)和 Deepmind Lab(场景 watermaze),每种情况在观察类型、速率、内存等方面都具有不同的特点(见表 3)。在 Atari 和 DMLab 情况中,作家采用传统的 4 帧剪辑设置,即情况帧数为实际训练样本步数的 4 倍。

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                               表 3. 选用的情况参数在单机情况下,作家选择 Sample Factory、rlpyt 和 SeedRL 作为基线。Sample Factory 和 rlpyt 都是专门针对单机场景优化的体系。SeedRL 最初是为分布式情况中的 TPU 训练而设计的。然而,即使是一台机器生成的样本,也很容易使其单个 "learner" 不堪重负。因此,只在单机情况下对 SeedRL 举行了评估。图 5 显示,SRL 在 Atari 上表现优异,与基线中表现最好的 Sample Factory 相比,SRL 实现了近 30% 的加速。在其他情况下,SRL 的表现与 Sample Factory 相似或略胜一筹。至于 MSRL [8],结果显示,在相同的实验设置下,SRL 与 MSRL 相比,训练 FPS 可达到 2.52 倍。

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图 5. 在大规模集群中运用三种不同配置的 SRL 训练 FPS,最多运用 32 个 Nvidia A100 GPU、32 个 Nvidia Geforce RTX 3090 GPU 和 12800 个 CPU 内核。配置 1:解耦 worker。每个 trainer worker 拥有一个 A100 GPU,4 个 policy worker 共享一个 RTX 3090 GPU。配置 2:trainer worker 和 policy worker 耦合。一个 trainer worker 和 4 个 policy worker 共享一个 A100 GPU。配置 3:耦合 actor worker 和 policy worker(inner inference)。trainer worker 有一个 A100 GPU。推理由 CPU 内核完成1.3.2 进修性能对 SRL 的训练吞吐量举行量化有助于深入了解其效率和可扩展性,但同样重要的是,要评估 SRL 在现实和具有挑战性的情况中开发智能 agent 的能力(即进修性能)。在这种情况下,捉迷藏( hide-and-seek,HnS)情况是一个很有吸引力的选择。如图 6a 所示,捉迷藏(HnS)情况模拟了一个物理世界,其中有 2-6 个 agent,包括 1-3 个躲藏者和 1-3 个寻找者,以及各种物理对象,包括 3-9 个盒子、2 个斜坡和随机放置的墙壁。Agents 可以通过移动或锁定箱子和斜坡来操纵它们,而锁定的物体只能由队友来解锁。每局游戏开始时,都会有一个准备阶段,在这一阶段中,寻找者不能移动,这样躲藏者就可以利用现有物品建造一个庇护所,以保护寻找者。准备阶段结束后,如果寻找者中有人能发现躲藏者,他们就会获得 + 1 的奖励,反之则为 – 1。躲藏者获得的奖励符号相反。图 6b 显示了整个进修过程的奖励。由于 agent 与对象之间的交互是 non-trival 的,而且任意也很复杂,因此观察这种行为演化需要极大的批次规模,例如单个批次中需要 320k 个交互步骤。作家尽了最大努力在这种情况下运转基线体系,但没有一个体系能处理如此大规模的训练任意。

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                                     图 6. (a) HnS 的快照。(b) HnS 中的奖励。agent 行为分为四个阶段:奔跑和追逐、箱子锁定、斜坡运用和斜坡锁定作家在分布式情况中运用 inline CPU 推理(简称 CPU Inf.)和远程 GPU 推理(简称 GPU Inf.)举行实验。在 CPU Inf. 推理中,将每个训练器的 actor worker 数量固定为 480 个,每个 actor worker 有一个单独的情况;在 GPU Inf. 推理中,将每个 actor worker 的数量固定为 120 个,每个 actor worker 有一个大小为 20 的情况环。另外,GPU Inf. 运用 8 个 policy worker 和一个 trainer,占用两个 3090 GPU。在实验中,作家展示了在 HnS 中实现斜坡锁定阶段所需的训练时间和数据量,如图 7 所示。结果显示,SRL 比具有相同架构(CPU Inf.)的 Rapid 体系快达 3 倍,而 GPU Inf. 则可在进一步减少时间和情况交互的情况下实现高达 5 倍的加速。作家将训练效率的提高归因于两个原因。首先,SRL 设计比 Rapid 更高效,FPS 也更高。其次,本文灵活的体系设计和细粒度的优化确保了 RL 算法的效率受收集延迟和过时数据等各种体系相关因素的影响较小,从而即使运用相同的 RL 算法,也能提高采样效率。

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                                图 7. 达到 HnS 第四阶段所需的时间 / 数据2、Parallel Q-Learning: Scaling Off-policy Reinforcement Learning under Massively Parallel Simulation [2] ICML’23

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本文为 MIT 电气工程与盘算机科学系研究员 Pulkit Agrawal 研究团队的研究成果,该团队还曾经获得 CoRL 2021 的最佳论文奖。本文发表在 ICML’23 中。ICML 是盘算机人工智能领域的顶级会议,ICML 2023 是第 40 届,共收到 6538 份投稿,有 1827 份被接收,录用率为 27.9%。由于需要大量的训练数据,强化进修对于复杂任意来说非常耗时。基于 GPU 的物理仿真技术的最新进展,如 NVIDIA Isaac Gym,已将 commodity GPUs  上的数据收集革新速率提高了数千倍。由于 PPO 等 on-policy 方法简单且易于扩展,之前的大多数研究都采用了这种方法。off-policy 方法的采样效率更高,但难以扩展,导致 wall-clock 训练时间更长。本文提出了一种 parallel Q-learning(PQL)方案,它在 wall-clock 时间方面优于 PPO,并保持了卓越的采样效率。其关键点在于数据收集、政策函数进修和值函数进修的并行化。与 Apex 等之前的分布式 off-policy 方法不同,本文方案专为基于 GPU 的大规模并行仿真而设计,并针对在单个 worker 上的运转举行了优化。在实验中,作家展示了将 Q-learning 方法扩展到数万个并行情况的能力,并研究了影响进修速率的重要因素,包括并行情况数量、试探政策、批大小、GPU 模型等。本文方法代码已发布在 https://github.com/Improbable-AI/pql。2.1 方案架构PQL 可以在单个 GPU 上同时仿真数千个情况。在典型的 actor-critic Q-learning 方法中,有三个组件依次运转:政策函数、Q 值函数和情况。agent 在情况中执行政策并收集交互数据,这些数据被添加到重放缓冲区;然后,革新值函数以最小化贝尔曼误差,之后革新政策函数以最大化 Q 值。这种顺序方案会减慢训练速率,因为每个组件都需要等待其他两个组件完成后才能继续。为了最大限度地提高进修速率并减少等待时间,作家将三个部分的盘算并行化。这使得每次数据收集可以革新更多收集,从而提高海量数据的利用率,并提高训练速率。off-policy RL 方法非常适合并行化,因为重放缓冲区中的交互数据不需要来自最新的政策。相比之下,PPO 等 on-policy 方法需要运用最新政策的推出数据(on-policy 数据)来革新政策,因此数据收集和政策 / 值函数革新的并行化并非易事。本文方案以 wall-clock 时间为单位对训练速率举行了优化,可以在 worker 上轻松应用。该方案基于 DDPG [10],但也可轻松扩展到其他 off-policy 算法,如 SAC [11]。本文方案还采用了用于提高 Q-learning 性能的常用技术,如 double Q learning 和 n-step returns。作家还尝试在 PQL 中添加分布式 RL,称之为 PQL-D。虽然它提高了高难度操作任意的性能,但却导致 RL agent 的收敛速率略有下降。本文运用以下符号:在时间步长 t,s_t 表示观测数据,a_t 表示行动指令,r_t 表示奖励,d_t 表示情况是否终止,π(s_t) 表示政策收集,Q (s_t, a_t) 表示 Q 收集,Q′(s_t, a_t) 表示目标 Q 收集,N 表示并行情况的数量。如图 8 所示,PQL 将数据收集、政策进修和价值进修并行化为三个过程。作家将它们分别称为 Actor、政策进修者(P-learner)和价值进修者(V-learner)。

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                                 图 8. PQL 概述。三个并发进程在运转:Actor、P-learner、V-learner。Actor 收集交互数据。P-learner 革新政策收集。V-learner 革新 Q 函数Actor。运用支持大规模并行仿真的 Isaac Gym [12] 作为仿真引擎。作家不做任何针对 Isaac Gym 的假设,PQL 已针对任何支持大量并行情况的基于 GPU 的模拟器举行了优化。在 agent 过程中,agent 会根据试探政策与数以万计的情况举行交互。因此,作家会维护一个本地政策收集 π^a (s_t),并定期与 P-learner 中的政策收集 π^p (s_t) 同步。V-learner。创建了一个专门用于训练值函数的流程,可以在不被数据收集或政策收集革新打断的情况下举行持续革新。为了盘算贝尔曼误差,需要有一个政策收集来估算要采取的最优行动,还需要有一个重放缓冲区来采样一批 I.I.D. 训练数据。由于运用专门的进程来不断革新值函数,V-learner 必须经常查询政策收集,并从重放缓冲区中采样数据。为了减少跨进程的收集和数据通信开销,在 V-learner 中维护了一个本地政策收集 π^v (s_t) 和一个本地重放缓冲区 ({(s_t, a_t, s_t+1, r_t, d_t+1)}) 。π^v (s_t) 会定期与 P-learner 中的 π^p (s_t) 同步。当 GPU 内存足够大以容纳整个重放缓冲区时(通常是在观测结果不是图像的情况下),会直接在 GPU 上分配重放缓冲区,以避免 CPU-GPU 数据传输瓶颈。P-learner。运用另一个专用流程来革新政策收集 π^p (s_t)。政策收集 π^p (s_t) 经过优化,以最大化 Q^p (s_t,π^p (s_t))。同样,在 P-learner 中保留了一个 {(s_t)} 的重放缓冲区和一个本地值函数 Q^p (s_t,a_t),以减少跨进程的通信开销。Q^p (s_t, a_t) 会与 V-learner 中的 Q^v_1 (s_t, a_t) 定期革新。该方案的伪代码如算法 1、2 和 3。

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数据传输。假设 Actor 进程中有 N 个并行情况。在每个推出步骤中,Actor 都会推出政策 π^a (s_t),并生成 N 对 (s_t, a_t, s_t+1, r_t, d_t+1)。然后,Actor 将整批交互数据 {(s_t, a_t, s_t+1, r_t, d_t+1)} 发送给 V-learner(如图 8 所示)。由于 P-learner 中的政策革新只需要状态信息,因此 Actor 只需向 P-learner 发送 {(s_t)} 即可。收集传输 。V-learner 定期向 P-learner 发送 Q^v_1 (s_t, a_t) 的参数,P-learner 革新 P-learner 中的本地 Q^p (s_t,a_t)。P-learner 将政策收集 π^p (s_t) 发送给 Actor 和 V-learner。数据传输和收集传输同时举行。2.2 Actor, P-learner, and V-learner 之间的均衡本文方案允许 Actor、P-learner 和 V-learner 同时运转。不过,需要适当限制数据收集、政策收集革新和价值收集革新的频率。换句话说,每个进程都不应该以最快的速率单独运转。作家对这三个频率添加了明确的控制,并定义了如下两个比率:

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其中,f_a 是 Actor 中单位时间内每个情况的推出步数,f_v 是 V-learner 中单位时间内 Q 功能革新的次数,f_p 是 P-learner 中单位时间内政策革新的次数。β_a:v 决定当 Actor 在 N 个情况中一步步推出政策时,V-learner 要执行多少次 Q 函数革新。β_p:v 决定当 P-learner 革新一次政策时,在 V-learner 中执行多少次 Q 函数革新。一旦设定了比例,就会监控每个进程的进度,并动态调整 Actor 和 P-learner 的速率,必要时让进程等待。通过 β_a:v、 β_p:v 控制三个进程有三大优势。首先,它允许我们平衡每个进程的资源分配,减少方案性能的差异。在盘算资源数量固定的情况下,让部分进程等待的能力可以让其他进程更多地运用 GPU 资源。这在资源有限的情况下尤为重要。如果只有一个 GPU,且所有三个进程都能在其上自由运转,那么模拟大量情况会导致 GPU 利用率非常高,从而减慢 P-learner 和 V-learner 的运转速率,导致性能下降。需要注意的是,之前的研究(如 Ape-X [13])并没有对这种控制举行研究,模拟和收集训练都运用了盘算机集群,因此没有出现争夺有限盘算资源的现象(三个进程都在一个 GPU 上运转)。另一方面,由于模拟速率和收集训练速率在很大程度上取决于任意复杂度、收集规模、盘算机硬件等因素,因此让每个进程自由运转会给训练速率和进修性能带来更大的差异。例如,对联系丰富的任意举行仿真可能比其他任意慢;有些任意可能需要更深的政策收集或 Q 收集;甚至一台机器上的 GPU 在不同时间的运转条件也可能不同,从而导致不同进程的速率不同,并进一步导致不同的进修性能。其次,比率控制可以提高收敛速率。例如,之前的研究表明,革新政策收集的频率低于革新 Q 函数的频率会带来更好的进修效果。本文实验也显示了类似的比率,但本文的研究结果是在并行训练政策和值函数的情况下得出的。第三,比率 β_p:v 可以解释为目标政策收集革新的频率。我们可以注意到,本文运用滞后政策来革新 Q 函数,并根据上述比率使其同步。因此,不会明确创建目标政策收集,但每次同步都可视为政策收集的硬革新。2.3 Mixed Exploration进一步,作家通过制定良好的试探政策来提高收敛性。过多的试探会使 agent 无法抓住有用的经验并迅速进修到好的政策,而过少的试探又无法为 agent 提供足够的良好交互数据来改进政策。要平衡试探和利用,往往需要大量的超参数调整或复杂的调度机制。在 DDPG 中,控制试探的一种常见做法是设置无相关零均值高斯噪声的标准偏差 σ,将该噪声添加到确定性政策输出中:

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由于很难预测多少试探噪声是合适的,因此通常需要为每项任意调整 σ。我们能减轻调整 σ 的麻烦吗?本文的想法是,与其寻找最佳的 σ 值,不如尝试不同的 σ 值,作家称之为混合试探。即使在某个训练阶段,某些 σ 值会导致糟糕的试探结果,但其他 σ 值仍能生成良好的试探数据。由于大规模并行仿真,我们可以在不同的并行情况中运用不同的 σ 值,因此这一政策很容易实施。之前的研究也采用了类似的思路。本文在 [σ_min, σ_max] 的范围内均匀地生成噪声水平。对于 N 个情况中的第 i 个情况:

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本文实验中的所有任意都运用了 σ_min = 0.05、σ_max = 0.8。2.4 实验分析作家证明了本文方法与 SOTA 基线方法相比的有效性,展示了影响进修的关键超参数的效果,并提供了设置这些值的经验指导。所有实验都是在一台配有少量 GPU 的工作站上举行的。作家在六项 Isaac Gym 基准任意中对本文方法举行了评估:Ant, Humanoid, ANYmal, Shadow Hand, Allegro Hand,  Franka Cube Stacking(见图 9)。此外,还提供了另外两个任意:(1) 基于视觉的球体平衡任意;(2) 接触丰富的灵巧操作任意,该任意要求进修运用 DClaw Hand 调整数百个不同物体的方向,并采用单一政策。

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                               图 9. 六项 Isaac Gym 基准任意本文实验考虑了以下基线:(1) PPO,这是之前许多运用 Isaac Gym 举行模拟所运用的默认算法;(2) DDPG (n):采用 double Q-learning 和 n-step returns 的 DDPG 实现;(3)SAC (n):SAC [11] 的实现,有 n-step returns。本文实验中运用 NVIDIA GeForce RTX 3090 GPU 作为默认 GPU。要回答的第一个也是最重要的问题是,PQL 是否比 SOTA 基线方法进修速率更快。为了回答这个问题,作家比较了 PQL 和 PQL-D(分布式 RL 的 PQL)与基线在六个基准任意上的进修曲线。如图 10 所示,与所有基线相比,本文方法(PQL、PQL-D)在六项任意中的五项都实现了最快的政策进修。此外,我们还观察到,在 PQL 中添加分布式 RL 可以进一步提高进修速率。图 10 显示,在六项任意中,PQL-D 有五项任意的 wall-clock 时间比 PQL 更快,或至少与 PQL 相当。在两项富有挑战性的接触式操作任意中,PQL-D 的改进最为显著。此外,PQL 的进修速率快于 DDPG (n),这证明了运用并行方案举行数据收集和收集革新的优势。我们还发现,DDPG (n) 在所有任意中的表现都优于 SAC (n)。作家分析,这可能是由于 DDPG 中的试探方案比 SAC 中的试探方案能更好地扩展。在 DDPG 中,作家采用了与 PQL 相同的混合试探方法,而 SAC 的试探方法仅来自随机政策分布中的采样,这可能会受到政策分布质量的严重影响。

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图 10. 将本文方法与 SOTA RL 算法(PPO、n-step returns SAC 和 n-step returns DDPG)举行了比较。在所有任意中都运用了 4096 个情况举行训练,只有 PPO 基线任意 "Shadow Hand" 和 "Shadow Hand" 除外大规模并行仿真使我们能够在不同情况中部署不同的试探政策,从而生成更多样化的试探轨迹。作家运用一种简单的混合试探政策,并将其有效性与所有情况运用相同试探能力(相同的 σ 值)的情况举行比较。作家试验了 σ∈{0.2, 0.4, 0.6, 0.8}。如图 11 所示,σ 值的选择对进修性能影响很大。如果我们在所有并行情况中运用相同的 σ 值,那么我们就需要为每个任意调整 σ。相比之下,混合试探政策(即每个情况运用不同的 σ 值)的性能优于所有其他固定 σ 值的政策(进修速率更快或至少与之相当)。这意味着,运用混合试探政策可以减少每个任意所需的 σ 值调整工作。

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图 11. 通过应用不同的恒定最大噪声值,对本文提出的混合试探方案举行比较。我们可以看到,混合试探方案要么优于其他方案,要么与其他方案相当,这可以节省噪声水平的调整工作此外,作家还对比了不同参数设置情况下的方案效果,感兴趣的读者可以阅读原文。3、ACTORQ: QUANTIZATION FOR ACTOR-LEARNER DISTRIBUTED REINFORCEMENT LEARNING

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本文为来自哈佛大学、谷歌等机构研究人员的工作。本文提出了一种强化进修训练范式 ActorQ,用于加快 Actor-Learner 分布式 RL 训练。ActorQ 利用了对 learner 的全精度优化,以及通过低精度量化 actor 的分布式数据收集。对 actor 举行量化的 8 位(或 16 位)推理可加快数据收集速率,而不会影响收敛性。量化分布式 RL 在一系列任意(Deepmind 控制套件)和不同 RL 算法(D4PG、DQN)上训练体系 ActorQ 的端到端速率提高了超过 1.5 至 2.5 倍,收敛速率超过全精度训练。最后,作家分解了分布式 RL 训练的各种运转成本(如通信时间、推理时间、模型加载时间等),并评估了量化对这些体系属性的影响。3.1 ActorQ 介绍分布式强化进修体系采用标准的 "行动者 – 进修者"(actor-learner)方法:单个 learner 优化政策,多个 actor 并行执行 rollout 任意。由于 learner 执行的是盘算密集型操作(对 actor 和 critic 举行批量革新),因此为其分配了更快的盘算(在我们的例子中是 GPU)。另一方面,actor 执行单个推出,这涉及一次执行一个推理实例,其并行性受到限制;因此,它们被分配到单个 CPU 内核,彼此独立运转。Learner 持有政策的主副本,并定期将模型广播给所有 actor。Actor 提取模型并利用它来执行 rollouts,向重放缓冲区提交样本,learner 对其举行采样,以优化政策和 critic 收集。图 12 显示了 actor-learner 设置的示意图。

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图 12. ActorQ 体系设置。在 learner 进程中利用 Tensorflow,在 actor 进程中利用 PyTorch,以促进用于优化的全精度 GPU 推理和用于经验生成的量化推理。作家引入了一个参数量化器,在 learner 的 Tensorflow 模型和 actor 的量化 PyTorch 模型之间架起了一座桥梁本文引入了用于量化 actor-learner 训练的 ActorQ。ActorQ 包括在 actor 上运用量化执行的同时,保持 learner 所有盘算的全精度。当 learner 广播其模型时,会对模型举行训练后量化,actor 会在其广播中运用量化后的模型。在实验中,作家测量了 learner 提供的全精度政策的质量。ActorQ 的几个考虑包括:由于硬件和批处理的原因,learner 的速率比所有参与者的速率加起来还要快;因此,整体训练速率受限于参与者执行 rollout 的速率。训练后量化可以有效地产生量化的强化进修政策,而奖励损失很小。这表明,量化(低至 8 位)对政策输出的影响有限,因此可以用来加快 actor 的推出速率。actor 只举行推理(不举行优化),因此 actor 一方的所有盘算都可以大幅量化,而不会影响优化;反之,learner 在 actor 和 critic 收集上都执行复杂的优化程序,因此 learner 的量化可能会降低收敛性。ActorQ 虽然简单,但却有别于传统的量化神经收集训练,因为 Actor 的纯推理角色可以运用精度很低(≤ 8 位)的算子来加速训练。这与传统的量化神经收集训练不同,传统的量化神经收集训练必须运用更复杂的算法。这增加了额外的复杂性,也可能限制速率,而且在许多情况下,由于收敛问题,仍仅限于半精度运算。ActorQ 的好处是双重的:不仅加快了 actor 的盘算速率,还大大减少了 learner 与 actor 之间的交流。此外,在这一过程中,训练后量化可以被视为向 actor rollout 注入噪声。作家证明在某些情况下,这甚至会有利于收敛。最后,ActorQ 适用于许多不同的强化进修算法,因为 Actor-learner 范式适用于各种算法。3.2 实验介绍作家将 PTQ 应用于通过 ActorQ 举行的分布式强化进修训练中,并展示了在不损害收敛性的情况下显著提高了终端训练速率。作家评估了在分布式强化进修训练中量化通信与盘算的影响,并分解了训练中的运转时间成本,以了解量化如何影响这些体系组件。作家评估了 ActorQ 算法在各种情况下加速分布式量化强化进修的效果。总的来说,我们发现 1)运用 ActorQ,训练强化进修政策的速率明显加快(>1.5 -2.5 倍);2)即使 actor 执行 8 位量化处理,也能保持收敛。最后,作家分解了训练各部分的相对成本,以了解盘算瓶颈在哪里。在 ActorQ 中,actor 执行的是量化执行,而 learner 的模型是全精度的,因此我们评估的是 learner 的全精度模型质量。

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表 4. 在 Deepmind Control Suite 和 gym 的特定任意中,ActorQ 的时间和速率提升高达 95% 的奖励。与全精度训练相比,8 位和 16 位推理的速率提高了超过 1.5  -2.5 倍。作家在 DeepMind Control Suite 情况(non-gym)中运用 D4PG,在 gym 情况中运用 DQN作家在 Deepmind 控制套件的一系列情况中对 ActorQ 举行了评估。作家选择的情况涵盖了各种难度,以确定量化对简单和困难任意的影响。表 5 列出了测试情况及其相应的难度和训练步数。每一 episode 的最长步数为 1000 步,因此每项任意的最高奖励为 1000(尽管不一定能达到)。作家根据任意的特征而不是像素举行训练。

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                                  表 5. 运用 ActorQ 评估的任意从易到难,以及相应任意所训练的步骤,以及在 actor 一侧拉动模型的频率政策架构是具有 3 个大小为 2048 的隐藏层的全连接收集。作家在 actor 的政策收集输出中应用高斯噪声层,以鼓励试探;根据执行的 actor,sigma 在 0 到 0.2 之间均匀分配。在 learner 方面,critic 收集是一个 3 层隐藏收集,大小为 512。在连续控制情况中运用 D4PG 训练政策,在离散控制情况中运用 DQN 训练政策。所有实验都在单机设置上运转(但分布在 GPU 和单机的多个 CPU 上)。Learner 运用的是 V100 GPU,运用 4 个 actors(每个 actor 1 个内核),每个 actor 分配一个 IntelXeon 2.20GHz CPU 举行分布式训练。运转每个实验,至少取 3 次运转的平均值,并盘算汇总运转的运转平均值(window=10)。图 13 和表 4 中展示了运用 ActorQ 的最终训练速率提升。在几乎所有任意中,我们都看到 8 位和 16 位量化推理的显著提速。此外,为了提高可读性,我们估算了 fp32 最大得分的 95% 百分位数,并测量了 fp32、fp16 和 int8 达到此奖励水平的时间,盘算了相应的速率提升。在人形机器人、站立和人形机器人上,运用较慢的模型拉动频率(1000)时,步行收敛速率明显较慢,因此作家在其训练中运用了更频繁的拉动频率(100)。频繁的拉动使 16 位推理变慢,以至于与全精度训练一样慢。

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图 13. ActorQ 在各种 Deepmind 控制套件任意中运用 8 位、16 位和 32 位的端到端速率提升 推理(对 Learner 举行全精度优化)。与全精度基线相比,8 位和 16 位训练的端到端训练速率明显加快图 14 展示了运用 ActorQ 的 episode 奖励与 actor 总步数收敛图。数据显示,无论在简单任意还是困难任意中,即使对 actor 举行 8 位和 16 位推理,收敛性也能大致保持。在 Cheetah、Run 和 Reacher、Hard 中,8 位 ActorQ 的收敛速率甚至更快,作家认为这可能是因为量化引入了噪声,而噪声可以被视为试探。

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图 14. ActorQ 在各种 Deepmind Control Suite 任意中运用 8 位、16 位和 32 位 actor 推理(对 learner 举行全精度优化)时的收敛性。8 位和 16 位量化训练的收敛性与全精度训练相同或更好对 actor 举行模型拉动的频率可能会对收敛性产生影响,因为它会影响用于填充重放缓冲区的政策的僵化程度;这在之前的研究中都有所体现,图 15 给出了一个具体示例。因此,作家探讨了在通信量大和盘算量大的情况下量化通信与盘算的效果。为了量化通信,作家将政策权重量化为 8 位,并通过将其打包成矩阵的方式举行压缩,从而将模型广播的内存减少了 4 倍。自然,在重通信的情况下,对通信举行量化会更有利,而在重盘算的情况下,对盘算举行量化会产生相对更多的奖励。图 16 显示了在重通信场景(频率 = 30)和重盘算场景(频率 = 1000)中量化对通信和盘算的增益的消减图。图中显示,在通信量大的情况下,量化通信的速率可提高 30%;相反,在盘算量大的情况下,量化通信的影响很小,因为开销主要来自盘算。由于本文的实验是在单个节点的多个内核上运转的(有 4 个 actors),因此通信的瓶颈较小。作家认为,在拥有更多 actors 的收集集群上,通信成本会更高。

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                                             图 15. 模型拉动频率会影响 actor 政策的僵化程度,并可能对训练产生影响

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                                  图 16. 在盘算量大和通信量大的训练场景中,量化通信与盘算的效果。q 是推理的精度;q_c 是通信的精度。注意 q=8 隐含地将通信量化为 8 比特作家进一步细分了对单个 actor 的运转时间有贡献的各种组件。运转时间组件可细分为:步长时间、拉动时间、反序列化时间和加载状态支配时间。步长时间是指执行神经收集推理所花费的时间;拉动时间是指从查询 Reverb 队列中的模型到接收序列化模型权重之间的时间;反序列化时间是指反序列化模型字典所花费的时间;load_state_dict 时间是指调用 PyTorch load state dict 所花费的时间。图 16c 显示了在盘算量大的情况下,32、16 和 8 位量化推理的组件运转时间的相对细分。如图所示,步长时间是主要瓶颈,而量化可显著加快步长时间。图 16d 显示了通信量大时的成本明细。在加快盘算速率的同时,由于内存的减少,拉取时间和反序列化时间也因量化而大大加快。在 8 位和 16 位量化训练中,PyTorch 加载状态判定的成本要高得多。调查显示,加载量化 PyTorch 模型的成本是将权重从 Python 对象重新打包到 Cdata 中。由于内存访问次数较少,8 位权重重新打包明显快于 16 位权重重新打包。模型加载的成本表明,通过对打包的 C 数据结构举行序列化并降低权重打包的成本,可以获得额外的速率提升。为了证明量化在部署强化进修政策方面的显著优势,作家还评估了机器人应用案例中的量化政策优势,感兴趣的读者可以阅读原文。4、文章小结本文通过详细分析三篇近期论文,试探了分布式强化进修算法的今生 — 最新研究进展。分布式强化进修侧重于研究强化进修低采样效率的问题,嵌入并行盘算以高效加速模型训练过程并提高进修效果。与本系列文章 Part1 部分介绍的 “运用异步架构,在提升样本吞吐量的同时,引入一些 off-policy 修正” 的经典架构相比,part2 部分最新的研究方法更细粒度的考虑 RL 盘算组件的离散化、协同化,也考虑了基于 GPU 的大规模并行仿真。近几年,分布式强化进修的发展速率非常快,相关的论文发表数量也非常多,更加强调深度强化进修算法和分布式体系设计的互相感知和协同,进修性能更高、盘算成本逐渐降低。我们也会持续跟踪关注分布式强化进修方面的最新进展。参考引用的文献:[1] SRL: Scaling Distributed Reinforcement Learning to Over Ten Thousand Cores, https://arxiv.org/pdf/2306.16688.pdf[2] Parallel Q-Learning: Scaling Off-policy Reinforcement Learning under Massively Parallel Simulation, https://openreview.net/pdf?id=4aECnTuPEq[3] ACTORQ: QUANTIZATION FOR ACTOR-LEARNER DISTRIBUTED REINFORCEMENT LEARNING, https://zishenwan.github.io/publication/ICLR2021.pdf[4] Aleksei Petrenko, Zhehui Huang, Tushar Kumar, Gaurav S. Sukhatme, andVladlen Koltun. 2020. Sample Factory: Egocentric 3D Control from Pixels at100000 FPS with Asynchronous Reinforcement Learning. CoRR abs/2006.11751 (2020). arXiv:2006.11751 https://arxiv.org/abs/2006.11751[5] Adam Stooke and Pieter Abbeel. 2019. rlpyt: A Research Code Base for Deep Reinforcement Learning in PyTorch. CoRR abs/1909.01500 (2019). arXiv:1909.01500http://arxiv.org/abs/1909.01500[6] Lasse Espeholt, Hubert Soyer, Rémi Munos, Karen Simonyan, Volodymyr Mnih,Tom Ward, Yotam Doron, Vlad Firoiu, Tim Harley, Iain Dunning, Shane Legg,and Koray Kavukcuoglu. 2018. IMPALA: Scalable Distributed Deep-RL withImportance Weighted Actor-Learner Architectures. CoRR abs/1802.01561 (2018).arXiv:1802.01561 http://arxiv.org/abs/1802.01561[7] Lasse Espeholt, Raphaël Marinier, Piotr Stanczyk, Ke Wang, and Marcin Michalski. 2019. SEED RL: Scalable and Efficient Deep-RL with Accelerated CentralInference. CoRR abs/1910.06591 (2019). arXiv:1910.06591 http://arxiv.org/abs/1910.06591[8] Huanzhou Zhu, Bo Zhao, Gang Chen, Weifeng Chen, Yijie Chen, Liang Shi,Yaodong Yang, Peter Pietzuch, and Lei Chen. 2022. MSRL: Distributed Reinforcement Learning with Dataflow Fragments. arXiv:2210.00882[9] Andy B. Yoo, Morris A. Jette, and Mark Grondona. 2003. SLURM: Simple Linux Utility for Resource Management. In Job Scheduling Strategies for Parallel Processing, Dror Feitelson, Larry Rudolph, and Uwe Schwiegelshohn (Eds.). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 44–60.[10] Lillicrap, T. P., Hunt, J. J., Pritzel, A., Heess, N., Erez, T., Tassa, Y., Silver, D., and Wierstra, D. Continuous control with deep reinforcement learning. arXiv preprint arXiv:1509.02971, 2015.[11] Haarnoja, T., Zhou, A., Abbeel, P., and Levine, S. Soft actor-critic: Off-policy maximum entropy deep reinforcement learning with a stochastic actor. In International conference on machine learning, pp. 1861–1870. PMLR, 2018.[12] Makoviychuk, V., Wawrzyniak, L., Guo, Y., Lu, M., Storey, K., Macklin, M., Hoeller, D., Rudin, N., Allshire, A., Handa, A., et al. Isaac gym: High performance gpu-based physics simulation for robot learning. arXiv preprint arXiv:2108.10470, 2021[13] Horgan, D., Quan, J., Budden, D., Barth-Maron, G., Hessel, M., Van Hasselt, H., and Silver, D. Distributed prioritized experience replay. arXiv preprint arXiv:1803.00933, 2018.

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