摘要

大规模AI集群运行过程中频繁因为各类硬件、软件故障导致训练任务中断，如何快速发现故障、缩短故障恢复时间MTTR成为提高AI集群可用度的重点方向。本文汇总了昇腾断点续训特性提供的故障检测、故障恢复能力以及面临的问题和挑战。

1、背景介绍

大规模AI集群运行过程中频繁因为各类硬件、软件故障导致训练任务中断，如何快速发现故障、缩短故障恢复时间MTTR成为提高AI集群可用度的重点方向。本文汇总了昇腾断点续训特性提供的故障检测、故障恢复能力以及面临的问题和挑战，欢迎大家讨论。

2、解决方案

2.1）故障检测

及时、准确的故障检测能力是训练任务故障快速恢复的前提，如下图所示，目前提供的AI集群故障检测能力包括：

① NPU芯片故障监控

通过MindX Ascend Device-Plugin组件监控NPU芯片故障以及NPU直出的ROCE网口故障，其中NPU芯片故障包含了由NPU驱动提供的100+故障码（类似XID），ROCE网口故障包括网口Link状态、网络联通性检测结果。

② 计算节点&操作系统故障监控

通过MindX NodeD组件监控计算节点状态，目前针对服务器宕机、OS挂死类的故障提供了心跳检测机制，同时从服务器BMC获取整机硬件包括CPU、内存、硬盘、电源等部件的故障信息作为补充。

③ HCCS网络故障监控（A3产品）

HCCS网络分为L1/L2两层组网，其中L1-HCCS打通了从计算节点主机侧进行故障监控的能力，由Device-Plugin负责获取L1-HCCS故障信息，同时L1/L2-HCCS均提供了标准的北向管理能力，对接NCE网管，再统一被CCAE纳管。

④ 网络故障监控

NPU ROCE网络（参数面）、业务面网络、存储面网络的交换机设备故障监控由NCE负责，再统一被CCAE纳管。

⑤ 存储故障监控

存储设备故障监控通过DM直接被CCAE纳管。

通过Device-Plugin、NodeD、BMC、CCAE、NCE监控到的故障信息统一汇聚到MindX ClusterD组件，由ClusterD根据不同故障信息综合识别故障点以及受影响的资源，生成故障恢复策略，通知AI平台调度器执行故障恢复操作。（注：当前CCAE通知故障信息给ClusterD的通道暂未提供）

2.2）故障恢复

基于故障检测的结果如何快速恢复训练任务？断点续训特性提供了如下图所示的分层分级快速恢复能力：

① 作业级快速恢复

销毁所有的Pod、训练进程，隔离故障节点并重新调度训练资源，整个训练任务作业重新拉起。

② Pod级快速恢复

仅销毁故障节点对应的Pod、调度到新的节点上重建，重启所有训练进程，相比于作业级快速恢复会减少部分资源调度、Pod创建的时间。

③ 进程级快速恢复

针对故障节点可以原地恢复的场景，保留所有Pod，重启所有训练进程，进一步减少Pod创建耗时。

④ 进程级重调度恢复

仅销毁故障节点对应的Pod、调度到新的节点上重建；正常节点清理NPU训练状态、但保留训练进程、等待新节点加入；各节点重建集合通信，利用Ranktable免协商建链；正常节点通过参数面网络将临终CKPT传递到备用节点上，完成参数状态恢复后继续训练。

相比于进程级快速恢复，该层能力仅重调度故障进程，减少了大量进程间不同步的等待耗时，同时利用了新的HCCL建链方案大大降低了建链耗时，且通过NPU卡间的参数面高速网络P2P传递CKPT信息，避免了CKPT保存和加载的耗时。

⑤ 进程级在线恢复

针对NPU HBM UCE故障，通过业务面CANN软件、框架软件、MindX软件配合实现HBM故障地址在线修复，故障节点对应的训练进程不退出，重新执行当前训练Step（临终CKPT），无需回滚到周期CKPT恢复，训练任务秒级恢复。

⑥ 算子级在线恢复

针对A3产品NPU HCCS网络、A2/A3产品NPU ROCE参数面网络提供HCCL算子重试能力，容忍更长时间的网络异常，训练任务不中断。

上述不同恢复能力通过状态机控制，可以逐层兜底，尽可能确保训练任务快速恢复。

3、问题和讨论

断点续训的故障检测和恢复能力并不是一蹴而就的，是基于技术成熟度和现网应用效果不断持续演进的结果，不同层级容错能力涉及的关键技术点也可以相互组合使用，整体来看可以通过“恢复时间、适用故障场景、易用性（企业集成使用的难易程度）、资源依赖”4个维度衡量竞争力和客户价值，如下表所示。

特性名称	说明	恢复时间	适用故障场景	资源依赖程度	易用性	适用CKPT
人工恢复	人工拉起，训练任务重调度	小时级别	全，全局性故障 | NPU其他故障 | 节点/框/局部网络故障	高，冗余节点恢复	低	周期性CKPT
①作业级快速恢复	训练任务重调度	十到几十分钟级别		中，原地恢复 | 冗余节点恢复	低	周期性CKPT | 临终CKPT
②Pod级快速恢复	故障容器重调度	小于十分钟	中，NPU其他故障 | 节点/框/局部网络故障
③进程级快速恢复	所有进程重试	小于十分钟
④进程级重调度恢复	故障进程重试	小于五分钟			中
⑤进程级在线恢复	故障进程不退出	分钟级	不全，NPU HBM UCE故障	低，原地恢复		临终CKPT
⑥算子级在线恢复	故障进程不退出	分钟级	不全，通信算子故障	低，原地恢复	高	不依赖CKPT

面向未来十万卡以及更大规模集群的训练任务，断点续训需要持续改进，目前识别和规划的改进方向如下：

1. 硬件CPU/NPU静默故障检测&容错，提高断点续训故障模式覆盖率，尽可能避免人工介入恢复；
2. 慢节点慢网络等亚健康故障检测&容错，通过CCAE、BMC等组件提供亚健康诊断能力，触发断点续训；
3. 软件故障快速诊断&容错，通过报错日志或者配合故障诊断功能快速识别可以恢复的故障模式，触发断点续训；
4. 故障恢复时间的进一步压缩，包括容器镜像快照恢复、热备/温备快速无感切换等。