最近，Graph神经网络（GNNS）已成为聚光灯作为强大的工具，可以有效地在图形结构化数据上执行各种推理任务。随着现实图表的大小继续扩展，GNN训练系统面临可扩展性挑战。分布式培训是一种流行的方法，可以通过扩展CPU节点来应对这一挑战。但是，对基于磁盘的GNN培训的关注不多，该培训可以通过利用NVME SSD等高性能存储设备来以更具成本效益的方式扩展单节点系统。我们观察到，主内存和磁盘之间的数据移动是基于SSD的训练系统中的主要瓶颈，并且常规的GNN训练管道是不错的选择，而无需考虑此开销。因此，我们提出了Ginex，这是第一个基于SSD的GNN训练系统，可以在单台计算机上处​​理数十亿个图形数据集。受到编译器优化的检查员执行模型的启发，Ginex通过分开样品和收集阶段来重组GNN训练管道。这种分离使Ginex能够实现一种可证明的最佳替换算法，即被称为Belady的算法，用于存储器中的Caching特征向量，该算法是I/O访问的主要部分。根据我们对40亿尺度图数据集的评估，Ginex平均比SSD扩展的Pytorch几何得出了2.11倍的训练吞吐量（最大最高2.67倍）。

图形神经网络（GNNS）将深度神经网络（DNN）的成功扩展到非欧几里德图数据，实现了各种任务的接地性能，例如节点分类和图形属性预测。尽管如此，现有系统效率低，培训数十亿节点和GPU的节点和边缘训练大图。主要瓶颈是准备GPU数据的过程 - 子图采样和特征检索。本文提出了一个分布式GNN培训系统的BGL，旨在解决一些关键思想的瓶颈。首先，我们提出了一种动态缓存引擎，以最小化特征检索流量。通过协同设计缓存政策和抽样顺序，我们发现低开销和高缓存命中率的精美斑点。其次，我们改善了曲线图分区算法，以减少子图采样期间的交叉分区通信。最后，仔细资源隔离减少了不同数据预处理阶段之间的争用。关于各种GNN模型和大图数据集的广泛实验表明，BGL平均明显优于现有的GNN训练系统20.68倍。

图形神经网络（GNNS）在学习从图形结构数据中展示了成功，其中包含欺诈检测，推荐和知识图形推理。然而，培训GNN有效地具有挑战性，因为：1）GPU存储器容量有限，对于大型数据集可能不足，而2）基于图形的数据结构导致不规则的数据访问模式。在这项工作中，我们提供了一种统计分析的方法，并确定了GNN培训前更频繁地访问的数据。我们的数据分层方法不仅利用输入图的结构，而且还从实际GNN训练过程中获得了洞察力，以实现更高的预测结果。通过我们的数据分层方法，我们还提供了一种新的数据放置和访问策略，以进一步最大限度地减少CPU-GPU通信开销。我们还考虑了多GPU GNN培训，我们也展示了我们在多GPU系统中的策略的有效性。评估结果表明，我们的工作将CPU-GPU流量降低了87-95％，并通过数亿节点和数十亿边缘的图表提高了现有解决方案的GNN训练速度。

图形神经网络（GNN）的输入图的大小不断增加，突显了使用多GPU平台的需求。但是，由于计算不平衡和效率较低的通信，现有的多GPU GNN解决方案遭受了劣质性能。为此，我们提出了MGG，这是一种新型的系统设计，可以通过以GPU为中心的软件管道在多GPU平台上加速GNN。 MGG探讨了通过细粒度计算通信管道中隐藏GNN工作负载中远程内存访问延迟的潜力。具体而言，MGG引入了管​​道感知工作负载管理策略和混合数据布局设计，以促进通信局限性重叠。 MGG实现以优化的管道为中心的内核。它包括工作负载交织和基于经经的映射，以进行有效的GPU内核操作管道和专门的内存设计以及优化，以更好地数据访问性能。此外，MGG还结合了轻巧的分析建模和优化启发式方法，以动态提高运行时不同设置的GNN执行性能。全面的实验表明，MGG在各种GNN设置上的最先进的多GPU系统要比最先进的多GPU系统：平均比具有统一虚拟内存设计的多GPU系统快3.65倍，平均比DGCL框架快7.38倍。

Graph neural networks (GNNs) have been demonstrated to be a powerful algorithmic model in broad application fields for their effectiveness in learning over graphs. To scale GNN training up for large-scale and ever-growing graphs, the most promising solution is distributed training which distributes the workload of training across multiple computing nodes. However, the workflows, computational patterns, communication patterns, and optimization techniques of distributed GNN training remain preliminarily understood. In this paper, we provide a comprehensive survey of distributed GNN training by investigating various optimization techniques used in distributed GNN training. First, distributed GNN training is classified into several categories according to their workflows. In addition, their computational patterns and communication patterns, as well as the optimization techniques proposed by recent work are introduced. Second, the software frameworks and hardware platforms of distributed GNN training are also introduced for a deeper understanding. Third, distributed GNN training is compared with distributed training of deep neural networks, emphasizing the uniqueness of distributed GNN training. Finally, interesting issues and opportunities in this field are discussed.

Dynamic Graph Neural Networks (DGNNs) have been broadly applied in various real-life applications, such as link prediction and pandemic forecast, to capture both static structural information and temporal characteristics from dynamic graphs. Combining both time-dependent and -independent components, DGNNs manifest substantial parallel computation and data reuse potentials, but suffer from severe memory access inefficiency and data transfer overhead under the canonical one-graph-at-a-time training pattern. To tackle the challenges, we propose PiPAD, a $\underline{\textbf{Pi}}pelined$ and $\underline{\textbf{PA}}rallel$ $\underline{\textbf{D}}GNN$ training framework for the end-to-end performance optimization on GPUs. From both the algorithm and runtime level, PiPAD holistically reconstructs the overall training paradigm from the data organization to computation manner. Capable of processing multiple graph snapshots in parallel, PiPAD eliminates the unnecessary data transmission and alleviates memory access inefficiency to improve the overall performance. Our evaluation across various datasets shows PiPAD achieves $1.22\times$-$9.57\times$ speedup over the state-of-the-art DGNN frameworks on three representative models.

最近，作为基于图形机器学习的骨干的图形神经网络（GNN）展示了各个域（例如，电子商务）的巨大成功。然而，由于基于高稀疏和不规则的图形操作，GNN的性能通常不令人满意。为此，我们提出，TC-GNN，基于GNN加速框架的第一个GPU张量核心单元（TCU）。核心思想是将“稀疏”GNN计算与“密集”TCU进行调和。具体地，我们对主流GNN计算框架中的稀疏操作进行了深入的分析。我们介绍了一种新颖的稀疏图翻译技术，便于TCU处理稀疏GNN工作量。我们还实现了一个有效的CUDA核心和TCU协作设计，以充分利用GPU资源。我们将TC-GNN与Pytorch框架完全集成，以便于编程。严格的实验在各种GNN型号和数据集设置的最先进的深图库框架上平均显示了1.70倍的加速。

Graph convolutional neural networks (GCNs) have emerged as a key technology in various application domains where the input data is relational. A unique property of GCNs is that its two primary execution stages, aggregation and combination, exhibit drastically different dataflows. Consequently, prior GCN accelerators tackle this research space by casting the aggregation and combination stages as a series of sparse-dense matrix multiplication. However, prior work frequently suffers from inefficient data movements, leaving significant performance left on the table. We present GROW, a GCN accelerator based on Gustavson's algorithm to architect a row-wise product based sparse-dense GEMM accelerator. GROW co-designs the software/hardware that strikes a balance in locality and parallelism for GCNs, achieving significant energy-efficiency improvements vs. state-of-the-art GCN accelerators.

最近提出了基于子图的图表学习（SGRL）来应对规范图神经网络（GNNS）遇到的一些基本挑战，并在许多重要的数据科学应用（例如链接，关系和主题预测）中证明了优势。但是，当前的SGRL方法遇到了可伸缩性问题，因为它们需要为每个培训或测试查询提取子图。扩大规范GNN的最新解决方案可能不适用于SGRL。在这里，我们通过共同设计学习算法及其系统支持，为可扩展的SGRL提出了一种新颖的框架Surel。 Surel采用基于步行的子图表分解，并将步行重新形成子图，从而大大降低了子图提取的冗余并支持并行计算。具有数百万个节点和边缘的六个同质，异质和高阶图的实验证明了Surel的有效性和可扩展性。特别是，与SGRL基线相比，Surel可以实现10 $ \ times $ Quad-Up，具有可比甚至更好的预测性能；与规范GNN相比，Surel可实现50％的预测准确性。

最近，图形卷积网络（GCNS）已成为用于分析非欧几里德图数据的最先进的算法。然而，实现有效的GCN训练，特别是在大图中挑战。原因是许多折叠的原因：1）GCN训练引发了大量的内存占用。大图中的全批量培训甚至需要数百到数千千兆字节的内存，以缓冲中间数据进行反向传播。 2）GCN培训涉及内存密集型数据减少和计算密集型功能/渐变更新操作。这种异构性质挑战当前的CPU / GPU平台。 3）图形的不规则性和复杂的训练数据流共同增加了提高GCN培训系统效率的难度。本文提出了一种混合架构来解决这些挑战的混合架构。具体地，GCNEAR采用基于DIMM的存储系统，提供易于级别的存储器容量。为了匹配异构性质，我们将GCN培训操作分类为内存密集型减少和计算密集型更新操作。然后，我们卸载将操作减少到DIMM NMES，充分利用高聚合的本地带宽。我们采用具有足够计算能力的CAE来处理更新操作。我们进一步提出了几种优化策略来处理GCN任务的不规则，提高GCNEAR的表现。我们还提出了一种多GCNEAR系统来评估GCNEAR的可扩展性。

While many systems have been developed to train Graph Neural Networks (GNNs), efficient model inference and evaluation remain to be addressed. For instance, using the widely adopted node-wise approach, model evaluation can account for up to 94% of the time in the end-to-end training process due to neighbor explosion, which means that a node accesses its multi-hop neighbors. On the other hand, layer-wise inference avoids the neighbor explosion problem by conducting inference layer by layer such that the nodes only need their one-hop neighbors in each layer. However, implementing layer-wise inference requires substantial engineering efforts because users need to manually decompose a GNN model into layers for computation and split workload into batches to fit into device memory. In this paper, we develop Deep Graph Inference (DGI) -- a system for easy and efficient GNN model inference, which automatically translates the training code of a GNN model for layer-wise execution. DGI is general for various GNN models and different kinds of inference requests, and supports out-of-core execution on large graphs that cannot fit in CPU memory. Experimental results show that DGI consistently outperforms layer-wise inference across different datasets and hardware settings, and the speedup can be over 1,000x.

虽然有很多关于图像深度学习的硬件加速研究，但在加速涉及图形的深度学习应用时，有一个相当有利的专注。图的独特特性，例如不规则的内存访问和动态并行性，当算法映射到CPU或GPU时，施加有几个挑战。为了在利用所有可用的稀疏性的同时解决这些挑战，我们提出了一种灵活的架构，称为SPA-GCN，用于加速图形卷积网络（GCN），在图中的深度学习算法中的核心计算单元。该架构专门用于处理许多小图形，因为图表尺寸对设计考虑产生了重大影响。在这种情况下，我们使用SIMGNN是一种基于神经网络的图形匹配算法，作为展示我们架构的有效性的案例研究。实验结果表明，与多核CPU实施和GPU实施相比，SPA-GCN可以提供高速度，显示设计效率。

图形神经网络（GNN）已被证明是分析非欧国人图数据的强大工具。但是，缺乏有效的分布图学习（GL）系统极大地阻碍了GNN的应用，尤其是当图形大且GNN相对深时。本文中，我们提出了GraphTheta，这是一种以顶点为中心的图形编程模型实现的新颖分布式和可扩展的GL系统。 GraphTheta是第一个基于分布式图处理的GL系统，其神经网络运算符以用户定义的功能实现。该系统支持多种培训策略，并在分布式（虚拟）机器上启用高度可扩展的大图学习。为了促进图形卷积实现，GraphTheta提出了一个名为NN-Tgar的新的GL抽象，以弥合图形处理和图形深度学习之间的差距。提出了分布式图引擎，以通过混合平行执行进行随机梯度下降优化。此外，除了全球批次和迷你批次外，我们还为新的集群批次培训策略提供了支持。我们使用许多网络大小的数据集评估GraphTheta，范围从小，适度到大规模。实验结果表明，GraphTheta可以很好地扩展到1,024名工人，用于培训内部开发的GNN，该工业尺度的Aripay数据集为14亿个节点和41亿个属性边缘，并带有CPU虚拟机（Dockers）群的小群。 （5 $ \ sim $ 12GB）。此外，GraphTheta比最先进的GNN实现获得了可比或更好的预测结果，证明其学习GNN和现有框架的能力，并且可以超过多达$ 2.02 \ tims $ $ 2.02 \ times $，具有更好的可扩展性。据我们所知，这项工作介绍了文献中最大的边缘属性GNN学习任务。

CNN-based surrogates have become prevalent in scientific applications to replace conventional time-consuming physical approaches. Although these surrogates can yield satisfactory results with significantly lower computation costs over small training datasets, our benchmarking results show that data-loading overhead becomes the major performance bottleneck when training surrogates with large datasets. In practice, surrogates are usually trained with high-resolution scientific data, which can easily reach the terabyte scale. Several state-of-the-art data loaders are proposed to improve the loading throughput in general CNN training; however, they are sub-optimal when applied to the surrogate training. In this work, we propose SOLAR, a surrogate data loader, that can ultimately increase loading throughput during the training. It leverages our three key observations during the benchmarking and contains three novel designs. Specifically, SOLAR first generates a pre-determined shuffled index list and accordingly optimizes the global access order and the buffer eviction scheme to maximize the data reuse and the buffer hit rate. It then proposes a tradeoff between lightweight computational imbalance and heavyweight loading workload imbalance to speed up the overall training. It finally optimizes its data access pattern with HDF5 to achieve a better parallel I/O throughput. Our evaluation with three scientific surrogates and 32 GPUs illustrates that SOLAR can achieve up to 24.4X speedup over PyTorch Data Loader and 3.52X speedup over state-of-the-art data loaders.

Deep learning based recommendation models (DLRM) are widely used in several business critical applications. Training such recommendation models efficiently is challenging primarily because they consist of billions of embedding-based parameters which are often stored remotely leading to significant overheads from embedding access. By profiling existing DLRM training, we observe that only 8.5% of the iteration time is spent in forward/backward pass while the remaining time is spent on embedding and model synchronization. Our key insight in this paper is that access to embeddings have a specific structure and pattern which can be used to accelerate training. We observe that embedding accesses are heavily skewed, with almost 1% of embeddings represent more than 92% of total accesses. Further, we observe that during training we can lookahead at future batches to determine exactly which embeddings will be needed at what iteration in the future. Based on these insight, we propose Bagpipe, a system for training deep recommendation models that uses caching and prefetching to overlap remote embedding accesses with the computation. We designed an Oracle Cacher, a new system component which uses our lookahead algorithm to generate optimal cache update decisions and provide strong consistency guarantees. Our experiments using three datasets and two models shows that our approach provides a speed up of up to 6.2x compared to state of the art baselines, while providing the same convergence and reproducibility guarantees as synchronous training.

数据处理的最新进展刺激了对非常大尺度的学习图的需求。众所周知，图形神经网络（GNN）是解决图形学习任务的一种新兴和有力的方法，很难扩大规模。大多数可扩展模型应用基于节点的技术来简化GNN的昂贵图形消息传播过程。但是，我们发现当应用于百万甚至数十亿尺度的图表时，这种加速度不足。在这项工作中，我们提出了Scara，这是一种可扩展的GNN，具有针对图形计算的特征优化。 Scara有效地计算出从节点功能中嵌入的图形，并进一步选择和重用功能计算结果以减少开销。理论分析表明，我们的模型在传播过程以及GNN培训和推理中具有确保精度，实现了子线性时间的复杂性。我们在各种数据集上进行了广泛的实验，以评估圣aca的功效和效率。与基线的性能比较表明，与快速收敛和可比精度相比，与当前的最新方法相比，圣aca最高可达到100倍的图形传播加速度。最值得注意的是，在100秒内处理最大的十亿个GNN数据集纸100m（1.11亿节点，1.6B边缘）上的预先计算是有效的。

图形神经网络（GNNS）已成为处理机器学习任务的有效方法，它为构建推荐系统带来了一种新方法，其中可以将推荐任务作为用户 - 项目的链接预测问题提出， 。培训基于GNN的推荐系统（GNNRECSYS）在大图上会引起大型内存足迹，很容易超过典型服务器上的DRAM容量。现有的解决方案诉诸分布式子图培训，这是由于动态构建子图和各个子图的大量冗余的高成本而效率低下。新兴的Intel Optane持久记忆使一台机器以可承受的成本具有最多6 TB的存储器，从而使单机器Gnnrecsys训练可行，从而消除了分布式培训中的效率低下。与DRAM相比，将Optane用于Gnnrecsys的一个主要问题是Optane相对较低的带宽。由于其主要的计算内核稀疏且内存访问密集，因此这种限制可能对Gnnrecsys工作量的高性能特别有害。为了了解Optane是否适合Gnnrecsys培训，我们对Gnnrecsys工作负载进行了深入的表征和全面的基准测试研究。我们的基准测试结果表明，经过正确配置后，基于Optane的单机器GNNRECSYS训练优于大幅度的培训，尤其是在处理深度GNN模型时。我们分析了加速度的来源，提供有关如何为GNNRECSYS工作负载配置Optane的指导，并讨论进一步优化的机会。

采样是图形神经网络（GNN）培训的关键操作，有助于降低成本。以前的文献已经通过数学和统计方法探索了改进采样算法。但是，采样算法和硬件之间存在差距。在不考虑硬件的情况下，算法设计人员仅在算法级别优化采样，缺少通过利用硬件功能来促进现有采样算法效率的巨大潜力。在本文中，我们开创了一个为主流采样算法提出的统一编程模型，称为GNNSampler，涵盖了各个类别中采样算法的关键过程。其次，为了利用硬件功能，我们选择数据局部性作为案例研究，并在图中探索节点及其邻居之间的数据位置，以减轻采样中不规则的内存访问。第三，我们在GNNSampler中实现了各种采样算法的局部感知优化，以优化一般的采样过程。最后，我们强调在大图数据集上进行实验，以分析训练时间，准确性和硬件级指标之间的相关性。广泛的实验表明，我们的方法通用到主流采样算法，并有助于大大减少训练时间，尤其是在大规模图中。

K-Nearest邻居搜索是各种应用程序中的基本任务之一，层次可导航的小世界（HNSW）最近在大规模云服务中引起了人们的注意，因为它在提供快速搜索的同时很容易扩展数据库。另一方面，将可编程逻辑和单个板上的可编程逻辑模块结合在一起的计算存储设备（CSD）变得流行，以解决现代计算系统的数据带宽瓶颈。在本文中，我们提出了一个计算存储平台，该平台可以加速基于SMARTSSSD CSD的基于图形的最近的邻居搜索算法。为此，我们更修改算法在硬件上更适合，并使用基于HLS和RTL的方法实现两种类型的加速器，并采用各种优化方法。此外，我们扩展了提议的平台，以拥有4个SMARTSSS，并应用图形并行性以进一步提高系统性能。结果，拟议的计算存储平台在258.66W的功率耗散时，SIFT1B数据集的每秒吞吐量达到75.59个查询，该数据集的功率耗散为12.83倍，比常规CPU和GPU和GPU更快，更快的10.43 x和10.43 x和24.33 x - 基于基于的服务器平台。借助多稳定的存储和自定义加速能力，我们相信所提出的计算存储平台是针对成本敏感的云数据中心的有前途的解决方案。

在过去的十年中，深度神经网络（DNNS）的规模成倍增长，只剩下那些具有大量基于数据中心的资源的人具有开发和培训此类模型的能力。对于可能只有有限的资源（例如，单个多GPU服务器）的研究人员的长尾巴的主要挑战之一是GPU内存能力与模型大小相比。问题是如此严重，以至于训练大规模DNN模型的内存需求通常可以超过单个服务器上所有可用GPU的总容量；这个问题只会随着不断增长的模型大小的趋势而变得更糟。当前依赖于虚拟化GPU内存的解决方案（通过向CPU内存交换/从CPU内存）会产生过多的交换开销。在本文中，我们提出了一个新的培训框架，和谐和倡导者，重新思考了DNN框架如何安排计算并移动数据以在单个商品服务器上有效地推动培训大规模模型的边界。在各种大型DNN模型中，Harmony能够将交换负载最多减少两个数量级，并在具有虚拟化内存的高度优化基线上获得高达7.6倍的训练吞吐量加速。