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AWS Startup.fm #8. ML Cost Optimization

AWS Startup.fm #8. ML Cost Optimization

AWS上で機械学習のコスト最適化を行うための様々な方法をセミナー形式でお伝えいたします。
本セミナーはコスト削減方法の導入難易度を三段階に分け、1. すぐに導入頂けるもの、2. 少し導入まで理解が必要なものや、3. 導入に条件があるものまで、初級・中級・上級に分けてご説明いたします。(セミナー内容は時間の都合などで予告なく変更される場合がございますので、予めご了承ください。)

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Yoshitaka Haribara

August 27, 2020
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  1. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. Amazon

    Web Services Japan Startup Solutions Architect Yoshitaka Haribara, Ph.D. 2020-08-27 AWS Startup.fm #8. 機械学習のコスト最適化
  2. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    Startup.fm #8. 機械学習のコスト最適化 • 設計原則 (15分) • ベストプラクティス (15分) • まとめ (10分) • アンケート・クレジット (10分) 質問は Sli.do #startup-fm に書き込んで頂ければ適宜拾います
  3. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    Well-Architected Framework 5本の柱 Operational Excellence セキュリティ 信頼性 パフォーマンス コスト 最適化
  4. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. 設計原則

  5. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    Well-Architected Framework Machine Learning Lens コスト最適化の柱 設計原則 • 総所有コスト (TCO) を削減するためマネージドサービスを使う • 小さいデータセットで実験する • 正しいタイプ・サイズのインスタンスを選ぶ • 消費パターンに基づいた推論アーキテクチャ設計 • 全体の費用対効果 (ROI) と機会費用を定義 https://d1.awsstatic.com/whitepapers/architecture/wellarchitected-Machine- Learning-Lens.pdf
  6. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    の機械学習スタック 幅広く完全な機械学習のサービス群 コンピュータ ビジョン 音声 テキスト 検索 チャットボット パーソナライズ 予測 不正検知 開発 コンタクトセンター Deep Learning AMIs & Containers GPUs & CPUs Elastic Inference Inferentia FPGA Amazon Rekognition Amazon Polly Amazon Transcribe +Medical Amazon Comprehend +Medical Amazon Translate Amazon Lex Amazon Personalize Amazon Forecast Amazon Fraud Detector Amazon CodeGuru AI サービス ML サービス 深層学習フレームワーク & インフラ Amazon Textract Amazon Kendra Contact Lens For Amazon Connect DeepGraphLibrary Ground Truth AWS Marketplace for ML Neo Augmented AI Built-in algorithms Notebooks Experiments Processing Model training & tuning Debugger Autopilot Model hosting Model Monitor SageMaker Studio IDE Amazon SageMaker
  7. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. Amazon

    SageMaker で 54% 低い TCO を3年間で実現 Build Train Deploy ML インフラストラクチャ 運用 セキュリティ&コンプライアンス Amazon SageMaker で開発者の生産性を10x に
  8. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. TCO

    の考え方: 3種類のコスト Capability 考慮事項 インフラストラクチャ • インスタンス単価 • スポットインスタンスなどの活用によるコスト削減 運用 • インスタンスのプロビジョン、環境構築 • パッチ適用等のメンテナンス • パフォーマンス最適化 • トレーニングジョブ毎の独立したパフォーマンス • 分散学習に適したストレージやネットワークのチューニング • 推論のための最適なインフラ選択とチューニング • データやモデル成果物の可用性・耐久性 • トレーニング・推論環境のモニタリング、ログの取得や管理 • 推論環境の可用性 (Multi-AZ 対応やオートスケーリング) セキュリティ & コンプライアンス • 転送時・保管時のデータ暗号化 • 権限管理と証跡管理 • SOC, PCI, ISO, FedRAMP, HIPAA などのコンプライアンス対応
  9. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. 小さいデータセットで実験する

    始めは 目処が立ったら P3/P3dn インスタンス P3 インスタンス 一部のデータ 全データ
  10. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. トレーニング・推論それぞれに適切なインスタンスを選ぶ

    トレーニング 推論 P3/P3dn インスタンス (NVIDIA V100 GPU) G4dn インスタンス (NVIDIA T4 GPU) G4 Inf1 インスタンス Inf1 C5 インスタンス (Intel Xeon CPU)
  11. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. リアルタイム推論が必要なければバッチ変換ジョブを使う

    Amazon S3
  12. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. 全体の費用対効果

    (ROI) と機会費用 • 費用対効果 (ROI) • 費用は各サービスの料金ページから試算。 • 例えば「SageMaker 料金」や「Personalize 料金」などと検索。 • 料金の例が載っているので参考にする。 • ビジネスインパクトは何の指標を向上させるかで考える。 • 機会費用 • そもそも ML を利用すべきか否か、最適な選択肢を選ぶ。
  13. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. ベストプラクティス

  14. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    Well-Architected Framework Machine Learning Lens コスト最適化の柱 ベストプラクティス • 費用対効果の高いリソース • 需要と供給を合わせる • 支出意識 • 継続的な最適化 https://d1.awsstatic.com/whitepapers/architecture/wellarchitected-Machine- Learning-Lens.pdf
  15. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. Managed

    Spot Training • オンデマンドに比べて最大90%のコスト削減 • 中断が発生する可能性があるので checkpoints に途中経過を書き出し • 最大で待てる時間を指定 呼び出し方: estimator = PyTorch("train.py", role=sagemaker.get_execution_role(), train_instance_count=1, train_instance_type="ml.p3.2xlarge", framework_version="1.5.0", train_use_spot_instances=True, train_max_wait=2*24*60*60, # >= train_max_run (デフォルト1日) checkpoint_s3_uri="s3://mybucket/checkpoints", checkpoint_local_path="/opt/ml/checkpoints/" ) estimator.fit("s3://mybucket/data/train") # fit でトレーニング
  16. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. プロダクション環境

    の課題は推論コスト 90% Inference (Prediction) 10% Training
  17. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. 推論コストを抑えるための選択肢

    1. Amazon Elastic Inference • 推論に必要な分だけ適切な量の計算リソースをアタッチ 2. Multi-Model Endpoint • 一つのエンドポイントの裏に複数モデルをデプロイ 3. AWS Inferentia • 推論のための専用チップ 4. Amazon SageMaker Neo • モデルのコンパイルによる軽量化と高速化
  18. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. Amazon

    Elastic Inference 低い推論コスト アクセラレーターごと 1 - 32 TFLOPS 需要に合わせた キャパシティ TensorFlow, Apache MXNet, PyTorch をサポート Amazon EC2, Amazon SageMaker と統合 単精度・混合精度演算 深層学習の推論コストを最大75%削減
  19. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. Elastic

    Inference PyTorch Elastic Inference G4 インスタンス (T4 GPU) 安い https://aws.amazon.com/blogs/machine-learning/reduce-inference-costs-on-amazon-ec2-for-pytorch-models-with-amazon-elastic-inference/
  20. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. Multi-Model

    Endpoint • 単一のエンドポイントの裏に複数のモデルを置くことができる • 動的にモデルを追加することも可能 S3 model storage tokyo.tar.gz kanagawa.tar.gz osaka.tar.gz aichi.tar.gz S3://bucket/our-endpoint-models/ S3://bucket/our-endpoint-models Load
  21. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. 機械学習

    推論用プロセッサ AWS Inferentia • AWS による独自設計推論プロセッサ • 4 Neuron コア / チップ • チップ当たり最大128 TOPS • (2,000 TOPS @inf1.24xlarge) • 2ステージ メモリ階層 • 大容量オンチップ キャッシュと DRAM メモリ • FP16, BF16, INT8 データタイプをサポート • FP32 で構築された学習モデルを BF16 で実行可能 • 高速なチップ間通信 Inferentia Neuron コア cache Neuron コア cache メモリ Neuron コア cache Neuron コア cache メモリ メモリ メモリ
  22. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. Neuronコア

    パイプライン - 大規模モデルを低遅延で推論 • 大規模モデルを低遅延で推論 • Neuron コア間、チップ間をパイプラインモードで接続することによ り、大規模モデルを各オンチップキャッシュメモリ上に展開し、 高スループット・低レイテンシを実現 CACHE Memory CACHE Memory CACHE Memory CACHE Memory Neuron コア パイプライン
  23. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    Neuron SDK https://github.com/aws/aws-neuron-sdk コンパイル Neuron コンパイラ (NCC) NEFF を出⼒ Neuron バイナリ (NEFF) デプロイ Neuron ランタイム (NRT) プロファイル Neuron ツール C:\>code --version 1.1.1
  24. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. 一度のトレーニングで、どこでも

    2x のパフォーマンス Amazon SageMaker Neo Neo Broad framework support Broad hardware support Open-source Neo-AI device runtime and compiler 1/10th the size of original frameworks https://github.com/neo-ai/ Inf1 Inferentia
  25. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. Parse

    Model Optimize Tensors Generate Code Optimize Graph TensorFlow, MXNet, PyTorch, XGBoost のモデルを共通 フォーマットに変換 ML モデル (NN) 中のパターンを 認識し、実行コストを削減する ようグラフ構造の最適化 入力データの shape から パターンを抽出し、 効率的にメモリを割り当てる ターゲットデバイス用に 低レベルコンパイラを 用いて機械語を生成 Neo コンパイラ (TVM / treelite) Pruning Operator fusion Nested loop tiling Vectorization / Tensorization Data layout transform
  26. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. 需要と供給を合わせる

    ⇨ Auto Scaling Amazon Application Auto Scaling
  27. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    Cost Explorer で支出の確認
  28. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    Cost Explorer (例: サービスごと)
  29. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    Cost Explorer (例: SageMaker, Usage Type ごと)
  30. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. まとめ

  31. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    Well-Architected Framework Machine Learning Lens コスト最適化の柱 設計原則 • 総所有コスト (TCO) を削減するためマネージドサービスを使う • 小さいデータセットで実験する • 正しいタイプ・サイズのインスタンスを選ぶ • 消費パターンに基づいた推論アーキテクチャ設計 • 全体の費用対効果 (ROI) と機会費用を定義 https://d1.awsstatic.com/whitepapers/architecture/wellarchitected-Machine- Learning-Lens.pdf
  32. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. AWS

    Well-Architected Framework Machine Learning Lens コスト最適化の柱 ベストプラクティス • 費用対効果の高いリソース • 需要と供給を合わせる • 支出意識 • 継続的な最適化 https://d1.awsstatic.com/whitepapers/architecture/wellarchitected-Machine- Learning-Lens.pdf
  33. © 2020, Amazon Web Services, Inc. or its Affiliates. 費用対効果の高いリソース

    トレーニング 1. Managed Spot Training 推論 1. Amazon Elastic Inference • 推論に必要な分だけ適切な量の計算リソースをアタッチ 2. Multi-Model Endpoint • 一つのエンドポイントの裏に複数モデルをデプロイ 3. AWS Inferentia • 推論のための専用チップ 4. Amazon SageMaker Neo • モデルのコンパイルによる軽量化と高速化