Cách Daft Đổi Mới Hệ Thống Dữ Liệu cho Các Tải Công Việc Đa Chế Độ: Kiến Trúc Hoàn Chỉnh và Phân Tích Hiệu Suất

Sự bùng nổ của các ứng dụng AI đa phương thức đã phơi bày những khoảng trống quan trọng trong hạ tầng xử lý dữ liệu truyền thống. Khi Spark và Ray Data xử lý giải mã hình ảnh, phiên âm âm thanh và trích xuất khung hình video, các kiến trúc cứng nhắc của chúng sụp đổ. Bộ nhớ tăng đột biến không dự đoán được, chu kỳ GPU bị bỏ trống trong các điểm nghẽn I/O, và các cụm máy tính tích tụ hiệu quả kém lớn. Daft đại diện cho một cách tư duy mới về cách các hệ thống dữ liệu phân tán nên xử lý các yêu cầu tính toán đa dạng.

Điều gì làm cho Xử lý Dữ liệu Đa phương thức Khác biệt?

Các engine pipeline dữ liệu truyền thống được xây dựng cho các phép tổng hợp SQL và ghép nối bảng. Các khối lượng công việc đa phương thức hoạt động trong một chiều hoàn toàn khác:

Phình to Bộ nhớ: Một tệp JPEG sau giải nén phình gấp 20 lần. Một video dài 2 giờ giải mã thành hàng nghìn khung hình riêng lẻ, mỗi khung tiêu thụ megabyte. Pipeline dữ liệu phải dự đoán các vụ nổ này và quản lý chúng một cách linh hoạt.

Yêu cầu Tính toán Rời rạc: Các chuỗi xử lý đòi hỏi đồng thời bão hòa CPU, GPU và mạng. Một khối lượng công việc bao gồm tải xuống, giải mã, tái mẫu, trích xuất đặc trưng, chuẩn hóa, suy luận và phân loại — các thao tác gây căng thẳng các thành phần phần cứng khác nhau ở các giai đoạn khác nhau.

Yêu cầu về Quy mô: Các khối lượng công việc sản xuất gần đây đạt đến quy mô đáng kinh ngạc: Common Voice 17 chứa 113.800 tệp âm thanh; Common Crawl chứa 10.000 PDF; ImageNet có 803.580 hình ảnh; Hollywood2 gồm 1.000 video. Hạ tầng pipeline dữ liệu phải mở rộng liền mạch trên tất cả chúng.

Kiến trúc Streaming của Daft: Phá vỡ Điểm nghẽn

Daft cấu trúc lại căn bản cách dữ liệu chảy qua hệ thống phân tán. Động cơ thực thi streaming Swordfish của nó xem dữ liệu như luôn luôn di chuyển thay vì các lô tĩnh nằm trong bộ nhớ.

Mô hình Dòng chảy Liên tục: Với một phân vùng chứa 100.000 hình ảnh, 1.000 hình đầu tiên chuyển vào suy luận GPU ngay lập tức trong khi lô tiếp theo đang tải xuống hoặc giải mã. Không có điểm vật chất trung gian nào chặn pipeline. Hệ thống duy trì chuyển động liên tục qua tất cả các giai đoạn xử lý.

Áp lực Ngược Thông minh: Khi suy luận GPU trở thành yếu tố giới hạn, các thao tác phía trên tự động giảm tốc. Phương pháp giới hạn bộ nhớ này ngăn chặn việc tiêu thụ bộ nhớ vượt mức gây ra bởi các hệ thống cạnh tranh.

Phân vùng Thích ứng: Các thao tác tiêu tốn bộ nhớ như url_download và image_decode tự điều chỉnh kích thước lô của chúng theo thời gian thực. Hệ thống hy sinh độ phân mảnh của song song để có overhead bộ nhớ dự đoán được và thông lượng duy trì.

Phối hợp Phân tán qua Flotilla: Mỗi nút trong cụm chạy một worker Swordfish, cho phép mô hình streaming mở rộng theo chiều ngang mà không cần hy sinh kiến trúc. Các nguyên tắc hiệu quả tương tự áp dụng dù xử lý terabyte tại chỗ hay petabyte trên toàn cụm.

Hạ tầng pipeline dữ liệu của Daft còn cung cấp các khả năng gốc đặc biệt cho các thao tác đa phương thức: primitive mã hóa/giải mã/cắt/xoay hình ảnh, lớp nhúng văn bản và hình ảnh, tích hợp LLM, tokenization, phép tính cosine similarity, xử lý URL, và chuyển đổi video thành khung hình — tất cả đều tồn tại như các biểu thức cấp cao chứ không phải các hàm Python bên ngoài.

Cách Tiếp cận của Ray Data: Thỏa hiệp về Độ Tổng quát

Ray Data xây dựng dựa trên khung Python phân tán của Ray, phơi bày các trừu tượng cấp thấp hơn. Người dùng kết hợp các thao tác qua các hàm map_batches áp dụng cho các lô PyArrow hoặc DataFrame pandas.

Trong các thao tác tuần tự, Ray Data hợp nhất chúng thành các nhiệm vụ đơn — một tối ưu hóa phản tác dụng đối với các khối lượng công việc đa phương thức. Nếu không tinh chỉnh cẩn thận kích thước khối, tiêu thụ bộ nhớ sẽ tăng đột biến không dự đoán được. Người dùng có thể vật chất hóa các trung gian trong kho đối tượng của Ray bằng cách đóng gói logic trong các lớp, nhưng điều này gây overhead serialization và sao chép bộ nhớ. Vì kho đối tượng của Ray mặc định chỉ chiếm 30% bộ nhớ hệ thống khả dụng, việc tràn bộ nhớ đĩa trở thành không thể tránh khỏi.

Tính linh hoạt của pipeline dữ liệu đi kèm với cái giá của khả năng dự đoán và hiệu quả.

Thực tế Hiệu suất: Các Con số

Các benchmark trên cùng hạ tầng (8 instance AWS g6.xlarge, mỗi instance có GPU NVIDIA L4, 4 vCPU, 16 GB bộ nhớ, 100 GB EBS) cho thấy sự khác biệt rõ rệt:

Daft thực thi các pipeline âm thanh nhanh hơn 4.6–29 lần so với các phương pháp khác. Xử lý tài liệu tăng tốc 4.2–7.6 lần. Phân loại hình ảnh thể hiện cải tiến 5.4–10.3 lần. Các khối lượng công việc video cho thấy khoảng cách rõ rệt nhất: Daft hoàn thành trong 11 phút 46 giây trong khi Spark mất 3 giờ 36 phút — chênh lệch 18.4 lần.

Tại sao Khoảng cách Hiệu suất Lớn như vậy?

Các thao tác đa phương thức gốc so với UDF bên ngoài: Daft thực hiện giải mã hình ảnh, suy luận nhúng, và trích xuất khung hình video như các biểu thức tối ưu nội bộ. Ray Data buộc người dùng phải viết UDF Python gọi Pillow, NumPy, Hugging Face và các thư viện khác. Mỗi thư viện duy trì định dạng dữ liệu riêng, gây ra di chuyển dữ liệu không cần thiết và overhead serialization.

Mô hình Bộ nhớ Streaming so với Vật chất hóa: Daft stream dữ liệu bất đồng bộ từ lưu trữ đám mây qua CPU đến bộ nhớ GPU và trở lại đầu ra. Không phân vùng nào vật chất hóa hoàn toàn thành bộ đệm trung gian. Việc hợp nhất các thao tác của Ray Data gây ra đỉnh bộ nhớ trừ khi người dùng tối ưu kích thước khối thủ công, và các giải pháp thay thế mang lại các hình phạt serialization riêng.

Chiến lược Bão hòa Tài nguyên: Pipeline của Daft xử lý tất cả trong một worker Swordfish với quản lý tài nguyên thống nhất. Tải xuống, tiền xử lý CPU, suy luận GPU, và tải kết quả diễn ra trong cùng một ngữ cảnh thực thi, giữ cho CPU, GPU và mạng luôn bão hòa. Ray Data dành riêng các lõi CPU cho các thao tác I/O nặng theo mặc định, khiến các lõi này bị bỏ trống cho tính toán. Để đạt hiệu quả tối ưu, cần tinh chỉnh phân số CPU thủ công.

Hệ thống nào phù hợp cho Tình huống nào?

Daft xuất sắc khi:

• Xử lý các tập dữ liệu đa phương thức hình ảnh, video, âm thanh, tài liệu, nhúng
• Ưu tiên độ tin cậy và hiệu suất dự đoán mà không cần tinh chỉnh
• Xây dựng các pipeline dữ liệu phức tạp với join, filter, aggregation
• Các nhóm quen thuộc với semantics DataFrame/SQL

Ray Data vẫn có giá trị khi:

• Cần tích hợp sâu vào hệ sinh thái Ray Ray Train cho huấn luyện phân tán, Ray Serve cho phục vụ mô hình
• Kiểm soát phân bổ CPU/GPU từng thao tác một cách chi tiết mới xứng đáng với độ phức tạp

Xác thực trong Sản xuất

Kiểm thử quy mô của Essential AI: Tim Romanski và nhóm của ông đã phân loại 23,6 tỷ tài liệu web từ Common Crawl 24 nghìn tỷ token bằng Daft, mở rộng tới 32.000 yêu cầu mỗi giây trên mỗi VM. Đánh giá của ông: “Chúng tôi đẩy Daft đến giới hạn và nó đã được thử nghiệm chiến đấu. Nếu phải làm lại trong Spark, chúng tôi cần cấu hình JVM, quản lý classpath, và khắc phục lỗi nhiều để khởi chạy. Thời gian thực thi trong Daft ngắn hơn rõ rệt, và mở rộng từ phát triển tại chỗ đến cụm chỉ cần thay đổi kiến trúc tối thiểu.”

Xây dựng lại hạ tầng của CloudKitchens: Nhóm này đã cấu trúc lại toàn bộ nền tảng ML của họ dựa trên “DREAM stack” Daft, Ray, poetry, Argo, Metaflow. Nhóm hạ tầng của họ xác định các hạn chế cụ thể của Ray Data trong quá trình đánh giá: thiếu hỗ trợ DataFrame/ETL đầy đủ và hiệu suất không tối ưu. Họ chọn Daft để bổ sung cho lớp tính toán của Ray, đặc biệt ghi nhận “Daft lấp đầy các khoảng trống của Ray Data bằng cách cung cấp API DataFrame toàn diện” và “đưa ra hiệu suất thực thi nhanh hơn Spark trong các thử nghiệm của chúng tôi, đồng thời tiêu thụ ít tài nguyên hơn.”

Xác thực quy mô lớn của ByteDance: Khi đánh giá phân loại hình ảnh trên 1,28 triệu mẫu ImageNet, kỹ sư của ByteDance nhận thấy Daft duy trì tốc độ xử lý nhanh hơn khoảng 20% so với Ray Data. Phân tích kỹ thuật của họ nhấn mạnh “hiệu suất thực thi xuất sắc và hiệu quả tài nguyên” cộng với “xử lý streaming liền mạch các tập dữ liệu hình ảnh quy mô lớn.”

Nhìn về phía trước

Lĩnh vực pipeline dữ liệu đang trải qua một cuộc chuyển đổi cấu trúc. Các khối lượng công việc đa phương thức phơi bày các quyết định kiến trúc đã phù hợp cho phân tích truyền thống nhưng thất bại dưới áp lực tính toán đa dạng. Triết lý thiết kế của Daft — streaming liên tục, các thao tác đa phương thức gốc, quản lý tài nguyên thích ứng, và thực thi cụm thống nhất — không phải là tối ưu từng bước mà là một cuộc cách mạng thể loại. Các tổ chức xử lý hình ảnh, âm thanh, tài liệu và video quy mô lớn đang phát hiện ra rằng tái kiến trúc dựa trên các nguyên tắc này mang lại hiệu suất tăng từ 2-7 lần mà không hy sinh độ tin cậy hoặc đòi hỏi kiến thức hạ tầng sâu.