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# 디버깅 [[debugging]]

## Multi-GPU 네트워크 문제 디버그 [[multigpu-network-issues-debug]]

`DistributedDataParallel` 및 다중 GPU를 사용하여 훈련하거나 추론할 때, 프로세스 및/또는 노드 간의 상호 통신 문제가 발생하는 경우, 다음 스크립트를 사용하여 네트워크 문제를 진단할 수 있습니다.

```bash
wget https://raw.githubusercontent.com/huggingface/transformers/main/scripts/distributed/torch-distributed-gpu-test.py
```

예를 들어, 2개의 GPU가 상호 작용하는 방식을 테스트하려면 다음을 실행하세요:

```bash
python -m torch.distributed.run --nproc_per_node 2 --nnodes 1 torch-distributed-gpu-test.py
```
두 프로세스가 서로 통신하고 GPU 메모리를 할당하는 경우, 각각 "OK" 상태를 출력합니다.

더 많은 GPU 또는 노드의 경우 스크립트의 인수를 조정하면 됩니다.

진단 스크립트 내에서 더 많은 세부 정보와 SLURM 환경에서 실행하는 방법에 대한 레시피를 찾을 수 있습니다.

추가적인 디버그 수준은 다음과 같이 `NCCL_DEBUG=INFO` 환경 변수를 추가하는 것입니다:

```bash
NCCL_DEBUG=INFO python -m torch.distributed.run --nproc_per_node 2 --nnodes 1 torch-distributed-gpu-test.py
```

이렇게 하면 NCCL 관련 디버그 정보가 많이 출력되며, 문제가 보고된 경우에는 인터넷에서 검색할 수 있습니다. 또는 출력을 해석하는 방법을 잘 모르는 경우 로그 파일을 이슈에 공유할 수 있습니다.



## 언더플로 및 오버플로 감지 [[underflow-and-overflow-detection]]


<Tip>

이 기능은 현재 PyTorch에서만 사용할 수 있습니다.

</Tip>

<Tip>

다중 GPU 훈련을 위해서는 DDP (`torch.distributed.launch`)가 필요합니다.

</Tip>

<Tip>

이 기능은 `nn.Module`을 기반으로 하는 모델과 함께 사용할 수 있습니다.

</Tip>

`loss=NaN`이 나타나거나 모델이 `inf` 또는 `nan`으로 인해 다른 이상한 동작을 하는 경우, 언더플로 또는 오버플로의 첫 번째 발생 위치와 그 원인을 파악해야 합니다. 다행히도 이를 자동으로 감지하는 특수 모듈을 활성화하여 쉽게 알아낼 수 있습니다.

[`Trainer`]를 사용하는 경우, 다음을 기존의 명령줄 인수에 추가하면 됩니다.

```bash
--debug underflow_overflow
```
또는 [`TrainingArguments`] 객체를 생성할 때 `debug="underflow_overflow"`를 전달합니다.

자체 훈련 루프나 다른 Trainer를 사용하는 경우, 다음과 같이 수행할 수 있습니다. 

```python
from transformers.debug_utils import DebugUnderflowOverflow

debug_overflow = DebugUnderflowOverflow(model)
```

[`~debug_utils.DebugUnderflowOverflow`]는 모델에 후크를 삽입하여 각 forward 호출 직후에 입력 및 출력 변수 및 해당 모듈의 가중치를 테스트합니다. 활성화나 가중치의 최소한 하나의 요소에서 `inf` 또는 `nan`이 감지되면 프로그램이 어설트되고 다음과 같은 보고서가 출력됩니다. (이 예제는 fp16 혼합 정밀도에서 `google/mt5-small`에서 캡처된 것입니다):

```
Detected inf/nan during batch_number=0
Last 21 forward frames:
abs min  abs max  metadata
                  encoder.block.1.layer.1.DenseReluDense.dropout Dropout
0.00e+00 2.57e+02 input[0]
0.00e+00 2.85e+02 output
[...]
                  encoder.block.2.layer.0 T5LayerSelfAttention
6.78e-04 3.15e+03 input[0]
2.65e-04 3.42e+03 output[0]
             None output[1]
2.25e-01 1.00e+04 output[2]
                  encoder.block.2.layer.1.layer_norm T5LayerNorm
8.69e-02 4.18e-01 weight
2.65e-04 3.42e+03 input[0]
1.79e-06 4.65e+00 output
                  encoder.block.2.layer.1.DenseReluDense.wi_0 Linear
2.17e-07 4.50e+00 weight
1.79e-06 4.65e+00 input[0]
2.68e-06 3.70e+01 output
                  encoder.block.2.layer.1.DenseReluDense.wi_1 Linear
8.08e-07 2.66e+01 weight
1.79e-06 4.65e+00 input[0]
1.27e-04 2.37e+02 output
                  encoder.block.2.layer.1.DenseReluDense.dropout Dropout
0.00e+00 8.76e+03 input[0]
0.00e+00 9.74e+03 output
                  encoder.block.2.layer.1.DenseReluDense.wo Linear
1.01e-06 6.44e+00 weight
0.00e+00 9.74e+03 input[0]
3.18e-04 6.27e+04 output
                  encoder.block.2.layer.1.DenseReluDense T5DenseGatedGeluDense
1.79e-06 4.65e+00 input[0]
3.18e-04 6.27e+04 output
                  encoder.block.2.layer.1.dropout Dropout
3.18e-04 6.27e+04 input[0]
0.00e+00      inf output
```

예제 출력은 간략성을 위해 중간 부분이 잘려 있습니다.

두 번째 열은 절대적으로 가장 큰 요소의 값이며, 따라서 마지막 몇 개의 프레임을 자세히 살펴보면 입력과 출력이 `1e4` 범위에 있음을 알 수 있습니다. 따라서 이 훈련은 `fp16` 혼합 정밀도로 수행될 때 가장 마지막 단계에서 오버플로우가 발생했습니다 (`fp16`에서 `inf` 이전의 가장 큰 숫자는 `64e3`입니다). `fp16` 아래에서 오버플로우를 피하기 위해서는 활성화는 `1e4`보다 훨씬 작아야 합니다. 왜냐하면 `1e4 * 1e4 = 1e8`이기 때문에 큰 활성화와의 행렬 곱은 수치적인 오버플로우 조건으로 이어질 것입니다.

추적의 맨 처음에서 어느 배치 번호에서 문제가 발생했는지 알 수 있습니다 (여기서 `Detected inf/nan during batch_number=0`은 문제가 첫 번째 배치에서 발생했음을 의미합니다).

각 보고된 프레임은 해당 프레임이 보고하는 해당 모듈에 대한 완전한 항목을 선언하며, 이 프레임만 살펴보면 다음과 같습니다.

```
                  encoder.block.2.layer.1.layer_norm T5LayerNorm
8.69e-02 4.18e-01 weight
2.65e-04 3.42e+03 input[0]
1.79e-06 4.65e+00 output
```

여기서 `encoder.block.2.layer.1.layer_norm`은 인코더의 두 번째 블록의 첫 번째 레이어에 대한 레이어 정규화를 의미하며, `forward`의 특정 호출은 `T5LayerNorm`입니다.

이 보고서의 마지막 몇 개 프레임을 살펴보겠습니다:

```
Detected inf/nan during batch_number=0
Last 21 forward frames:
abs min  abs max  metadata
[...]
                  encoder.block.2.layer.1.DenseReluDense.wi_0 Linear
2.17e-07 4.50e+00 weight
1.79e-06 4.65e+00 input[0]
2.68e-06 3.70e+01 output
                  encoder.block.2.layer.1.DenseReluDense.wi_1 Linear
8.08e-07 2.66e+01 weight
1.79e-06 4.65e+00 input[0]
1.27e-04 2.37e+02 output
                  encoder.block.2.layer.1.DenseReluDense.wo Linear
1.01e-06 6.44e+00 weight
0.00e+00 9.74e+03 input[0]
3.18e-04 6.27e+04 output
                  encoder.block.2.layer.1.DenseReluDense T5DenseGatedGeluDense
1.79e-06 4.65e+00 input[0]
3.18e-04 6.27e+04 output
                  encoder.block.2.layer.1.dropout Dropout
3.18e-04 6.27e+04 input[0]
0.00e+00      inf output
```

마지막 프레임은 `Dropout.forward` 함수에 대한 보고입니다. 첫 번째 항목은 유일한 입력을 나타내고 두 번째 항목은 유일한 출력을 나타냅니다. 이 함수가 `DenseReluDense` 클래스 내부의 `dropout` 속성에서 호출된 것을 볼 수 있습니다. 이는 첫 번째 레이어의 두 번째 블록에서 첫 번째 배치 중에 발생했다는 것을 알 수 있습니다. 마지막으로, 절대적으로 가장 큰 입력 요소는 `6.27e+04`이고 출력도 마찬가지로 `inf`입니다.

여기에서는 `T5DenseGatedGeluDense.forward`가 출력 활성화를 생성하는데, 절대적으로 가장 큰 값이 약 62.7K인 것을 볼 수 있습니다. 이 값은 fp16의 최대 제한인 64K에 매우 근접합니다. 다음 프레임에서는 일부 요소를 0으로 만든 후 가중치를 재정규화하는 `Dropout`이 있습니다. 이로 인해 절대 최대값이 64K를 초과하고 오버플로우(`inf`)가 발생합니다.

보시다시피, fp16 숫자의 경우 숫자가 매우 커질 때 이전 프레임을 살펴보아야 합니다.

보고서를 `models/t5/modeling_t5.py`의 코드와 일치시켜 보겠습니다.

```python
class T5DenseGatedGeluDense(nn.Module):
    def __init__(self, config):
        super().__init__()
        self.wi_0 = nn.Linear(config.d_model, config.d_ff, bias=False)
        self.wi_1 = nn.Linear(config.d_model, config.d_ff, bias=False)
        self.wo = nn.Linear(config.d_ff, config.d_model, bias=False)
        self.dropout = nn.Dropout(config.dropout_rate)
        self.gelu_act = ACT2FN["gelu_new"]

    def forward(self, hidden_states):
        hidden_gelu = self.gelu_act(self.wi_0(hidden_states))
        hidden_linear = self.wi_1(hidden_states)
        hidden_states = hidden_gelu * hidden_linear
        hidden_states = self.dropout(hidden_states)
        hidden_states = self.wo(hidden_states)
        return hidden_states
```

이제 `dropout` 호출과 이전의 모든 호출을 쉽게 확인할 수 있습니다.

감지는 `forward` 후크에서 발생하므로, 이러한 보고서는 각 `forward`가 반환된 직후에 즉시 출력됩니다.

전체 보고서로 돌아가서 문제에 대한 조치 및 수정을 하려면, 숫자가 증가하기 시작한 몇 개의 프레임 위로 이동해서 여기서 `fp32` 모드로 전환해야 합니다. 이렇게 해야 숫자가 곱해지거나 합쳐질 때 오버플로우되지 않을 가능성이 높습니다. 물론 다른 해결책도 있을 수 있습니다. 예를 들어, `amp`가 활성화된 경우 일시적으로 끄고 원래의 `forward`를 도우미 래퍼로 이동한 후 다음과 같이 할 수 있습니다:

```python
def _forward(self, hidden_states):
    hidden_gelu = self.gelu_act(self.wi_0(hidden_states))
    hidden_linear = self.wi_1(hidden_states)
    hidden_states = hidden_gelu * hidden_linear
    hidden_states = self.dropout(hidden_states)
    hidden_states = self.wo(hidden_states)
    return hidden_states


import torch


def forward(self, hidden_states):
    device_type = hidden_states.device.type
    if torch.is_autocast_enabled(device_type):
        with torch.amp.autocast(device_type, enabled=False):
            return self._forward(hidden_states)
    else:
        return self._forward(hidden_states)
```

자동 감지기는 전체 프레임의 입력과 출력에 대해서만 보고하므로, 어디를 살펴봐야 하는지 알면 특정 `forward` 함수의 중간 단계도 분석할 수 있습니다. 이 경우에는 `detect_overflow` 도우미 함수를 사용하여 원하는 위치에 감지기를 삽입할 수 있습니다. 예를 들어:

```python
from debug_utils import detect_overflow


class T5LayerFF(nn.Module):
    [...]

    def forward(self, hidden_states):
        forwarded_states = self.layer_norm(hidden_states)
        detect_overflow(forwarded_states, "after layer_norm")
        forwarded_states = self.DenseReluDense(forwarded_states)
        detect_overflow(forwarded_states, "after DenseReluDense")
        return hidden_states + self.dropout(forwarded_states)
```

여기서는 이를 추가하여 2개의 것을 추적하고 이제 `forwarded_states`의 `inf` 또는 `nan`이 중간에 감지되었는지를 추적합니다.

실제로 위의 예제에서 각 호출이 `nn.Module`이기 때문에 탐지기가 이미 이를 보고합니다. 로컬에서 직접 계산하는 경우 이렇게 수행한다고 가정해 봅시다.

또한, 자체 코드에서 디버거를 인스턴스화하는 경우 기본값에서 출력되는 프레임 수를 조정할 수 있습니다. 예를 들어:

```python
from transformers.debug_utils import DebugUnderflowOverflow

debug_overflow = DebugUnderflowOverflow(model, max_frames_to_save=100)
```

### 특정 배치의 절댓값 최소 및 최대 값 추적 [[specific-batch-absolute-min-and-max-value-tracing]]

동일한 디버깅 클래스는 언더플로우/오버플로우 감지 기능이 꺼진 상태에서 배치별 추적에도 사용할 수 있습니다.

예를 들어, 특정 배치의 각 `forward` 호출의 모든 구성 성분에 대한 절대 최솟값과 최댓값을 확인하고, 이를 배치 1과 3에 대해서만 수행하려면 다음과 같이 이 클래스를 인스턴스화합니다:

```python
debug_overflow = DebugUnderflowOverflow(model, trace_batch_nums=[1, 3])
```

그러면 이제 배치 1과 3 전체가 언더플로우/오버플로우 감지기와 동일한 형식으로 추적됩니다.

배치는 0부터 시작합니다.

이는 프로그램이 특정 배치 번호 이후에 오작동하기 시작하는 것을 알고 있는 경우에 유용합니다. 그렇기 때문에 해당 영역으로 바로 이동할 수 있습니다. 이런 구성에 대한 샘플 축소된 출력은 다음과 같습니다.

```
                  *** Starting batch number=1 ***
abs min  abs max  metadata
                  shared Embedding
1.01e-06 7.92e+02 weight
0.00e+00 2.47e+04 input[0]
5.36e-05 7.92e+02 output
[...]
                  decoder.dropout Dropout
1.60e-07 2.27e+01 input[0]
0.00e+00 2.52e+01 output
                  decoder T5Stack
     not a tensor output
                  lm_head Linear
1.01e-06 7.92e+02 weight
0.00e+00 1.11e+00 input[0]
6.06e-02 8.39e+01 output
                   T5ForConditionalGeneration
     not a tensor output

                  *** Starting batch number=3 ***
abs min  abs max  metadata
                  shared Embedding
1.01e-06 7.92e+02 weight
0.00e+00 2.78e+04 input[0]
5.36e-05 7.92e+02 output
[...]
```

여기에서는 모델의 forward 호출 수와 동일한 수의 프레임이 덤프되므로 많은 수의 프레임이 생성됩니다. 따라서 원하는 것일 수도 있고 아닐 수도 있습니다. 그러나 때로는 일반 디버거보다 디버깅 목적으로 더 쉽게 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 문제가 배치 번호 150에서 시작하는 경우 149와 150의 추적을 덤프하고 숫자가 어디서부터 다르게 되었는지 비교할 수 있습니다.

또한, 훈련을 중지할 배치 번호를 지정할 수도 있습니다. 다음과 같이 지정할 수 있습니다.

```python
debug_overflow = DebugUnderflowOverflow(model, trace_batch_nums=[1, 3], abort_after_batch_num=3)
```
