最近，PyTorch 团队首次公布了开发路线图，由内部技术文档直接修改而来，披露了这个经典开源库下一步的发展方向。
如果你在 AI 领域用 Python 开发，想必 PyTorch 一定是你的老朋友之一。2017 年，Meta AI 发布了这个机器学习和深度学习领域的开源库，如今已经走到了第 7 个年头。
根据 Assembly AI 2021 年的统计数据，HuggingFace 上最受欢迎的 top 30 模型都能在 PyTorch 上运行，有 92% 的模型是 PyTorch 专有的，这个占比让包括 TensorFlow 在内的一众竞争对手都望尘莫及。
就在 7 月 10 日，PyTorch 的工程团队首次公开发布了他们的路线图文档，阐述 2024 年下半年的发展方向。
Meta 共同创始人、领导 PyTorch 团队的 Soumith Chintala 在推特上官宣了这个消息。
他表示，希望公开工程师们的研发动机和目标。
「虽然所有 PyTorch 开发都在 GitHub 上公开，但各个 PyTorch 附属公司的团队编写的实际规划和路线图文档并不公开，因此我们决定做出改变，以提高透明度。」
PyTorch 团队的技术项目经理 Gott Brath 也在论坛中发表了类似的声明。
我们一直在考虑，如何分享团队在 PyTorch 上所做的工作的路线图。我们每半年进行一次规划，因此这些是我们针对 PyTorch 中多个关键领域的 2024 年 H2 OSS 计划的一些公开版本。
这些文件基本就是 PyTorch 团队内部的文档和工作规划，删减掉了一些内容就发布出来成为路线图，其中涉及 PyTorch 的如下几个方面：
- 核心库与核心性能
- 分布式
- torchune、Torchrec、TorchVision
- PyTorch Edge
- 数据加载（DataLoading）
- 编译器核心及部署
- 开发者基础设施
每个文档都至少包含三个部分的内容，以 OKR 的思路展开：
- 背景
- Top5 关注领域及目标：目标、关键结果、已知或未知风险以及相应缓解措施（最多一页）
- 提升工程水平的 Top3~5 个方面：BE Pillar 分类、目标、指标 / 状态 / 具体目标、已知或未知风险以及缓解措施、影响 / 成本、优先级 / 信心程度（最多一页）
其中 BE Pillar 可以看作 Meta 写给开发团队的「五句箴言」，具体内容是：
Better Code, Better Doc, Empowering teams, Modern Code, Better Architecture
「最多一页」的规定不知道有没有戳到卷文档长度的开发人员，毕竟文档贵精不贵长，将众多开发需求精简到一页的内容不仅节省同事时间，也十分考验撰写者的功力。
此外，文档中也可以看出 Meta 开发团队的一些优秀思路，比如重视各个模块团队的协作、重视和外部合作伙伴的 API 集成和共同开发，重视与开源社区和开发者的互动。
当推出 ExecuTorch 这样的新代码库，或者想要提升 PyTorch 编译器影响力时，团队一般都会从两方面思路入手：一是铆足力气提升性能，把目标直接顶到 SOTA；另一方面从深度集成入手，提供更多开箱即用的案例。
或许，这些都是 Meta 多年来在开源领域如鱼得水、风生水起的关键所在。
以下是各个文档内容的部分截取和概括。
原文地址：https://dev-discuss.pytorch.org/t/meta-pytorch-team-2024-h2-roadmaps/2226
文档中涉及到的核心库包括 TendorDict、torchao、NN、TorchRL 等。
性能方面，PyTorch 团队提出了在模型训练和推理方面实现 SOTA 性能的目标，措施包括引入架构优化技术和高性能 kernel，与整个 PyTorch 技术栈形成搭配组合。
过去一年的时间见证了 GenAI 的快速发展，许多支持研究领域进行开发的外部库应运而生，但其中很多并不直接依赖 PyTorch，这会威胁到 PyTorch 在科研领域的主导地位。
为了重新跟上节奏，PyTorch 将为量化、稀疏化、MoE 和低精度训练等常用开发技术提供支持，包括构建模块和 API（主要集成在 torchao 中），帮助各类 Transformer 架构的模型提升性能。
torchao 库可以支持研究人员在 PyTorch 框架内自定义高性能的 dtype、layout 和优化技巧，将使用范围扩展到训练、推理、调优等各种场景。
此外，核心库的更新将包括以下方面：
- 推出的自动优化库 torchao 已经取得了突破性的成功，下一步提升其代码组织性，并将其中的数值运算与核心库分开
- 解决 TendorDict 的核心模块性，支持加载 / 存储的序列化，并使其在 eager 模式下的运行速度提高 2 倍
- 继续上半年在内存映射加载（memory mapped load）方面的成功，继续提升模型加载 / 存储的性能和安全性
- 将 TorchRL 的开销降低 50%
- 加入对 NoGIL 的核心支持
- 修复用户反映的 TORCH_env 变量不起作用的问题
文档中还提及了要实现对nn.transformer模块的弃用，表示会发布一系列教程和用例，展示如何使用torch.compile、sdpa、NJT、FlexAttention、custom_op、torchao 等模块构建 Transformer。
LLM 的预训练通常横跨数十个甚至上千个 GPU，而且由于模型的参数规模逐渐增大，推理和微调也很难用单个 GPU 完成。
因此，PyTorch 下一步对「分布式」的布局全面涵盖了训练、推理、微调这三个环节，提出要达成超大规模分布式训练、高内存效率的微调、多主机分布式推理。
PyTorch 原生支持的并行模式主要包括以下几种：
- 完全分片数据并行（full sharded data parallel，FSDP）
- 混合分片数据并行（hybrid sharding data parallel，HSDP）
- 张量并行（tensor parallel，TP）
- 流水线并行（pipeline parallel，PP）
- 序列并行（sequence parallel，SP）
- 上下文并行（context parallel，CP）
PyTorch 希望在 TorchTitan 中将各种并行方式进一步模块化，让开发者可以自由组合，根据需要实现 N 维并行。
文档中特别提到，对 MoE 和多模态这两种新兴的架构需要添加支持，比如专家并行、路由算法的优化。
除了 TorchTitan 本身的更新，分布式团队还需要与编译器团队进一步紧密合作，更好地与torch.compile模块集成，为大规模分布式场景带来额外的性能提升。
微调：联合 torchtune，将 FSDP2 LoRA / QLoRA 方案投入使用，以及支持模型状态字典的 NF4 量化
推理：PP 和 DP 已经成为分布式 API 的核心，下一步需要关注 torchtitan 的分布式推理，支持大模型 PP + 异步 TP 方式，将给出案例展示
文档中还提到，会将 HuggingFace 的推理 API 从 PiPPy 迁移到 PyTorch（由 HuggingFace 完成）。
torchtune 的推出旨在帮助用户更方便微调 LLM，这也是官方给出的 Llama 模型微调的方案。
torchtune 定义的「微调」范围非常广，主要可以概括为三类场景：
- 对特定领域数据集或者下游任务的模型适应
- 奖励和偏好建模，比如 RLHF、DPO 等
- 包含蒸馏与量化的训练过程
下半年的更新将支持为 agent 工作流进行的微调，同时着重关注微调性能的提升。
团队会与 compile、core、distributed 等模块进行合作，提供高效率微调，并在 PyTorch 生态内建立有代表性的微调性能基准。
由于 torchtune 也是一个较新的开源库，因此与开源社区的互动也必不可少。
文档提出发布博客文章和教程、举办技术讲座等方式，提升用户的理解；并会定义量化指标，衡量 torchturn 在 LLM 生态中的贡献份额。
除了开源社区，torchtune 还会与至少一个合作伙伴集成，参与到它们的社区中，以促进 torchtune 的使用。
TorchVision 作为 CV 领域内的绝对主宰者，技术也相对成熟，因此路线图中提出的更新很少。
团队将继续在预处理方向努力，在图像编码 / 解码空间中支持更多格式（如 WebP、HEIC）和平台（如 CUDA），并提升 jpeg 格式在 GPU 上的编码 / 解码性能。
TorchRec 旨在提供大规模推荐系统中常用的稀疏性和并行性原语，将秋季推出第一个稳定版本 TorchRec 1.0。
目前，开源库 ExecuTorch 已经推出了 Alpha 版本，主要依赖torch.compile和torch.export，用于支持移动设备和边缘设备（如 AR / VR、可穿戴设备）上的模型分析、调试和推理。
下半年，Edge 团队将推出 xecuTorch 的 Beta 版本，同时为 Meta 的 Llama 系列模型和其他开源模型提供 PyTorch 生态内的解决方案。
关键目标中主要涵盖两个方向。一是为设备上 AI 提供基础功能和可靠基础设施，包括：
- 确保 C++ 和 Python 的 API 稳定性
- 实现一系列核心功能：支持模型压缩、代理缓存位置管理、数据和程序分离
二是为这个新生的代码库保驾护航，培育开源社区内的影响力，同时与 Arm、Apple 和 Qualcomm 等公司保持良好合作关系。
其中社区影响力的目标甚至被量化到，要求代码在 GitHub 上得到 3k 标星，500 次克隆（fork）。有兴趣的吃瓜群众可以去持续关注一下，看看团队能不能在年底完成这个 OKR。
基于 Apache Arrow 格式的 HuggingFace datasets 库凭借无内存限制的高速加载 / 存储，近几年异军突起，似乎抢走了 PyTorch 相关功能的风头。
数据加载的文档中开篇就提出了雄心壮志，要让 TorchData 库再次伟大，重新确立 PyTorch 在数据加载方面的主宰地位。
要达到这个目标，就需要让相关功能变得灵活、可扩展、高性能、高内存效率，同时实现傻瓜式操作，支持各种规模的多模态训练。
具体的更新目标包括以下几个方面：
- DataLoader 的功能开发和接口都将贯彻 GitHub 优先的原则，DataPipes 和 DataLoader v2 则将被逐步被弃用、删除
- 确保 TorchTune、TorchTitan、HuggingFace、TorchData 之间的清晰边界和良好互通性，支持多数据集、多模态数据加载
- HuggingFace 使用 StatefulDataLoader 的 API，确保兼容性，及时更新样例和测试用例
PyTorch 的编译器核心功能经过多年发展已经趋于完善，目前亟待弥补的只是对 LLM 和 GenAI 领域的更深度集成和更多优化支持。
路线图提出，要将torch.compile() 函数带到 LLM 和 GenAI 的使用周期的各个方面（推理、微调、预训练），让重要模型在发行时就搭载原生的 PyTorch 编译。
为了实现这个目标，文档提出了很多具体措施，比如与 torchtune 与 TorchTitan 团队合作，提升编译性能，并在下半年发布至少两个高知名度模型的原生 PyTorch 编译版本。
此外，编译器可能添加可视化功能，在 non-eager 训练模式下生成表达前向计算 / 后向传播过程的模型图。
用户支持方面也有诸多规划，比如提升系统的监控性和可观察性，帮助户自行调试编译问题。关键目标还包括建立用户支持团队，针对几个关键领域（数据类、上下文管理等），解决开发者在 GitHub 等平台上发布的问题。
参考资料：
https://dev-discuss.pytorch.org/t/meta-pytorch-team-2024-h2-roadmaps/2226
https://x.com/soumithchintala/status/1811060935211049046
https://www.assemblyai.com/blog/pytorch-vs-tensorflow-in-2023/
本文来自微信公众号：新智元（ID：AI_era）
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