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pytorch-lightning

Framework PyTorch de alto nível com classe Trainer, treinamento distribuído automático (DDP/FSDP/DeepSpeed), sistema de callbacks e boilerplate mínimo. Escala de laptop para supercomputador com o mesmo código. Use quando quiser loops de treinamento limpos com boas práticas integradas.

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含まれるファイル(4)

  • SKILL.md9.3 KB
  • references/callbacks.md11.7 KB
  • references/distributed.md10.6 KB
  • references/hyperparameter-tuning.md12.2 KB

SKILL.md(原文)

インストールする前に、エージェントに与えられる指示の中身を確認できます。

PyTorch Lightning - Framework de Treinamento de Alto Nível

Início rápido

PyTorch Lightning organiza código PyTorch para eliminar boilerplate mantendo flexibilidade.

Instalação:

pip install lightning

Converter PyTorch para Lightning (3 passos):

import lightning as L
import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader, Dataset

# Passo 1: Defina LightningModule (organize seu código PyTorch)
class LitModel(L.LightningModule):
    def __init__(self, hidden_size=128):
        super().__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(28 * 28, hidden_size),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(hidden_size, 10)
        )

    def training_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        y_hat = self.model(x)
        loss = nn.functional.cross_entropy(y_hat, y)
        self.log('train_loss', loss)  # Auto-logged para TensorBoard
        return loss

    def configure_optimizers(self):
        return torch.optim.Adam(self.parameters(), lr=1e-3)

# Passo 2: Crie dados
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=32)

# Passo 3: Treine com Trainer (cuida de tudo mais!)
trainer = L.Trainer(max_epochs=10, accelerator='gpu', devices=2)
model = LitModel()
trainer.fit(model, train_loader)

Pronto! Trainer cuida de:

  • Switching GPU/TPU/CPU
  • Treinamento distribuído (DDP, FSDP, DeepSpeed)
  • Precisão mista (FP16, BF16)
  • Acumulação de gradientes
  • Checkpointing
  • Logging
  • Barras de progresso

Fluxos de trabalho comuns

Fluxo 1: De PyTorch para Lightning

Código PyTorch original:

model = MyModel()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters())
model.to('cuda')

for epoch in range(max_epochs):
    for batch in train_loader:
        batch = batch.to('cuda')
        optimizer.zero_grad()
        loss = model(batch)
        loss.backward()
        optimizer.step()

Versão Lightning:

class LitModel(L.LightningModule):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.model = MyModel()

    def training_step(self, batch, batch_idx):
        loss = self.model(batch)  # Sem necessidade de .to('cuda')!
        return loss

    def configure_optimizers(self):
        return torch.optim.Adam(self.parameters())

# Treine
trainer = L.Trainer(max_epochs=10, accelerator='gpu')
trainer.fit(LitModel(), train_loader)

Benefícios: 40+ linhas → 15 linhas, sem gerenciamento de dispositivo, distribuído automático

Fluxo 2: Validação e teste

class LitModel(L.LightningModule):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.model = MyModel()

    def training_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        y_hat = self.model(x)
        loss = nn.functional.cross_entropy(y_hat, y)
        self.log('train_loss', loss)
        return loss

    def validation_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        y_hat = self.model(x)
        val_loss = nn.functional.cross_entropy(y_hat, y)
        acc = (y_hat.argmax(dim=1) == y).float().mean()
        self.log('val_loss', val_loss)
        self.log('val_acc', acc)

    def test_step(self, batch, batch_idx):
        x, y = batch
        y_hat = self.model(x)
        test_loss = nn.functional.cross_entropy(y_hat, y)
        self.log('test_loss', test_loss)

    def configure_optimizers(self):
        return torch.optim.Adam(self.parameters(), lr=1e-3)

# Treine com validação
trainer = L.Trainer(max_epochs=10)
trainer.fit(model, train_loader, val_loader)

# Teste
trainer.test(model, test_loader)

Funcionalidades automáticas:

  • Validação executa a cada epoch por padrão
  • Métricas logadas para TensorBoard
  • Checkpointing do melhor modelo baseado em val_loss

Fluxo 3: Treinamento distribuído (DDP)

# Mesmo código que single GPU!
model = LitModel()

# 8 GPUs com DDP (automático!)
trainer = L.Trainer(
    accelerator='gpu',
    devices=8,
    strategy='ddp'  # Ou 'fsdp', 'deepspeed'
)

trainer.fit(model, train_loader)

Launch:

# Comando único, Lightning cuida do resto
python train.py

Sem mudanças necessárias:

  • Distribuição automática de dados
  • Sincronização de gradientes
  • Suporte multi-node (apenas defina num_nodes=2)

Fluxo 4: Callbacks para monitoramento

from lightning.pytorch.callbacks import ModelCheckpoint, EarlyStopping, LearningRateMonitor

# Crie callbacks
checkpoint = ModelCheckpoint(
    monitor='val_loss',
    mode='min',
    save_top_k=3,
    filename='model-{epoch:02d}-{val_loss:.2f}'
)

early_stop = EarlyStopping(
    monitor='val_loss',
    patience=5,
    mode='min'
)

lr_monitor = LearningRateMonitor(logging_interval='epoch')

# Adicione ao Trainer
trainer = L.Trainer(
    max_epochs=100,
    callbacks=[checkpoint, early_stop, lr_monitor]
)

trainer.fit(model, train_loader, val_loader)

Resultado:

  • Salva automaticamente os melhores 3 modelos
  • Para cedo se nenhuma melhoria por 5 epochs
  • Loga taxa de aprendizado para TensorBoard

Fluxo 5: Agendamento de taxa de aprendizado

class LitModel(L.LightningModule):
    # ... (training_step, etc.)

    def configure_optimizers(self):
        optimizer = torch.optim.Adam(self.parameters(), lr=1e-3)

        # Cosine annealing
        scheduler = torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(
            optimizer,
            T_max=100,
            eta_min=1e-5
        )

        return {
            'optimizer': optimizer,
            'lr_scheduler': {
                'scheduler': scheduler,
                'interval': 'epoch',  # Atualizar por epoch
                'frequency': 1
            }
        }

# Taxa de aprendizado auto-logada!
trainer = L.Trainer(max_epochs=100)
trainer.fit(model, train_loader)

Quando usar vs alternativas

Use PyTorch Lightning quando:

  • Quiser código limpo e organizado
  • Precisar de loops de treinamento prontos para produção
  • Alternar entre single GPU, multi-GPU, TPU
  • Quiser callbacks e logging integrados
  • Colaboração em equipe (estrutura padronizada)

Principais vantagens:

  • Organizado: Separa código de pesquisa da engenharia
  • Automático: DDP, FSDP, DeepSpeed com 1 linha
  • Callbacks: Extensões de treinamento modulares
  • Reproduzível: Menos boilerplate = menos bugs
  • Testado: 1M+ downloads/mês, battle-tested

Use alternativas em vez disso:

  • Accelerate: Mudanças mínimas em código existente, mais flexibilidade
  • Ray Train: Orquestração multi-node, tuning de hiperparâmetros
  • PyTorch bruto: Controle máximo, fins educacionais
  • Keras: Ecossistema TensorFlow

Problemas comuns

Problema: Loss não diminui

Verifique setup de dados e modelo:

# Adicione ao training_step
def training_step(self, batch, batch_idx):
    if batch_idx == 0:
        print(f"Forma do batch: {batch[0].shape}")
        print(f"Labels: {batch[1]}")
    loss = ...
    return loss

Problema: Memória insuficiente

Reduza tamanho do batch ou use acumulação de gradientes:

trainer = L.Trainer(
    accumulate_grad_batches=4,  # Batch efetivo = batch_size × 4
    precision='bf16'  # Ou 'fp16', reduz memória 50%
)

Problema: Validação não está sendo executada

Garanta que passa val_loader:

# ERRADO
trainer.fit(model, train_loader)

# CORRETO
trainer.fit(model, train_loader, val_loader)

Problema: DDP gera múltiplos processos inesperadamente

Lightning detecta GPUs automaticamente. Defina dispositivos explicitamente:

# Teste em CPU primeiro
trainer = L.Trainer(accelerator='cpu', devices=1)

# Depois GPU
trainer = L.Trainer(accelerator='gpu', devices=1)

Tópicos avançados

Callbacks: Veja references/callbacks.md para EarlyStopping, ModelCheckpoint, callbacks customizados e callback hooks.

Estratégias distribuídas: Veja references/distributed.md para DDP, FSDP, integração DeepSpeed ZeRO, setup multi-node.

Tuning de hiperparâmetros: Veja references/hyperparameter-tuning.md para integração com Optuna, Ray Tune e WandB sweeps.

Requisitos de hardware

  • CPU: Funciona (bom para debugging)
  • Single GPU: Funciona
  • Multi-GPU: DDP (padrão), FSDP ou DeepSpeed
  • Multi-node: DDP, FSDP, DeepSpeed
  • TPU: Suportado (8 núcleos)
  • Apple MPS: Suportado

Opções de precisão:

  • FP32 (padrão)
  • FP16 (V100, GPUs antigas)
  • BF16 (A100/H100, recomendado)
  • FP8 (H100)

Recursos

レビュー

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Especialista em construir experiências 3D para a web - Three.js, React Three Fiber, Spline, WebGL e cenas 3D interativas. Cobre configuradores de produtos, portfólios 3D, websites imersivos e adição de profundidade às experiências web. Use quando: website 3D, three.js, WebGL, react three fiber, experiência 3D.

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