Apache Spark 是一個(gè)開源框架，適用于跨集群計(jì)算機(jī)并行處理大數(shù)據(jù)任務(wù)。它是在全球廣泛應(yīng)用的分布式處理框架之一。

什么是 APACHE SPARK?

伴隨數(shù)據(jù)的巨量增長，Apache Spark 已成為分布式橫向擴(kuò)展數(shù)據(jù)處理的熱門框架之一，可以在本地和云端數(shù)以百萬計(jì)的服務(wù)器上運(yùn)行。

Apache Spark 是應(yīng)用于大型數(shù)據(jù)處理的快速通用分析引擎，可在 YARN、Apache Mesos、Kubernetes 上運(yùn)行，也可獨(dú)立或在云端運(yùn)行。借助用于 SQL、流處理、機(jī)器學(xué)習(xí)和圖形處理的高級(jí)運(yùn)算符及庫，Spark 使開發(fā)者能夠通過交互式 shell、筆記本或應(yīng)用程序包來使用 Scala、Python、R 或 SQL 輕松構(gòu)建并行應(yīng)用程序。通過功能編程模型和相關(guān)查詢引擎 Catalyst，Spark 支持批量和交互式分析，可將作業(yè)轉(zhuǎn)換為查詢方案，并跨集群節(jié)點(diǎn)調(diào)度查詢方案中的操作。

Spark 核心數(shù)據(jù)處理引擎之上存在多個(gè)用于 SQL 和 DataFrame、機(jī)器學(xué)習(xí)、GraphX、圖形計(jì)算和流處理的庫。用戶可在來自各種數(shù)據(jù)源(例如 HDFS、Alluxio、Apache Cassandra、Apache HBase 或 Apache Hive)的海量數(shù)據(jù)集上結(jié)合使用這些庫。

Apache Spark 組件

為何選擇 APACHE SPARK?

Apache Spark 繼續(xù)了 Apache Hadoop 在 15 年前開始的大數(shù)據(jù)分析工作，并已成為大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)處理的先進(jìn)框架。

2010 年代初，大數(shù)據(jù)分析的流行促使 Hadoop 的使用量增長，而 Hadoop MapReduce 的性能限制成為了阻礙。MapReduce 的性能因其磁盤檢查點(diǎn)結(jié)果模型而遭遇瓶頸。同時(shí)，MapReduce 的低級(jí)別編程模型也限制了 Hadoop 的采用。

Apache Spark 最初是加利福尼亞大學(xué)伯克利分校 AMPLab 的一個(gè)研究項(xiàng)目，其目標(biāo)是維持 MapReduce 可擴(kuò)展、分布式、容錯(cuò)處理框架的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)促使該框架變得更高效、更易于使用。Spark 能夠重復(fù)利用多線程輕量級(jí)任務(wù)(并非啟動(dòng)和終止進(jìn)程)，還能跨迭代將數(shù)據(jù)緩存于內(nèi)存中，無需在各階段間寫入磁盤，因此 Spark 在數(shù)據(jù)流程和迭代算法方面比 MapReduce 更高效。Spark 使用容錯(cuò)分布式 DataFrame 來增強(qiáng)并行性能，并可實(shí)現(xiàn) SQL 的易用性。

Spark 于 2014 年成為 Apache 軟件基金會(huì)的高級(jí)項(xiàng)目，如今，遍及 16000 多家企業(yè)和組織的成千上萬名數(shù)據(jù)工程師和科學(xué)家都在使用 Spark。Spark 在 Hadoop 的基礎(chǔ)上繼往開來的原因之一是，與 MapReduce 相比，其內(nèi)存數(shù)據(jù)處理性能能夠以快達(dá) 100 倍的速度完成某些任務(wù)。這些功能由 250 多家公司的 1000 多位貢獻(xiàn)者在一個(gè)開放社區(qū)中創(chuàng)建。Databricks 的創(chuàng)始人率先進(jìn)行了這項(xiàng)工作，僅僅是其平臺(tái)每天就運(yùn)行著 100 多萬個(gè)虛擬機(jī)來分析數(shù)據(jù)。

為何 SPARK 在應(yīng)用 GPU 后表現(xiàn)更出色

Spark 的各個(gè)版本均有所改進(jìn)，有助于更輕松地編程和執(zhí)行。Apache Spark 3.0 通過創(chuàng)新來維持此趨勢(shì)，改善 Spark SQL 性能和 NVIDIA GPU 加速。

圖形處理器 (GPU) 因其超低浮點(diǎn)運(yùn)算(性能)單價(jià)深受歡迎，其還可通過加快多核服務(wù)器的并行處理速度，解決當(dāng)前的計(jì)算性能瓶頸問題。CPU 由專為按序串行處理優(yōu)化的幾個(gè)核心組成。而 GPU 則擁有一個(gè)大規(guī)模并行架構(gòu)，當(dāng)中包含數(shù)千個(gè)更小、更高效的核心，專為同時(shí)處理多重任務(wù)而設(shè)計(jì)。與僅包含 CPU 的配置相比，GPU 的數(shù)據(jù)處理速度快得多。過去數(shù)年中，GPU 一直推動(dòng) DL 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 模型訓(xùn)練的發(fā)展。然而，數(shù)據(jù)科學(xué)家 80% 的時(shí)間都花費(fèi)在了數(shù)據(jù)預(yù)處理上。

雖然 Spark 是以分割數(shù)據(jù)形式在節(jié)點(diǎn)分區(qū)中分發(fā)計(jì)算，但其向來是在 CPU 核心上執(zhí)行計(jì)算操作。Spark 雖然通過添加內(nèi)存數(shù)據(jù)處理緩解了 Hadoop 中存在的 I/O 問題，但現(xiàn)在瓶頸問題已從 I/O 轉(zhuǎn)變?yōu)槿找嬖龆嗟膽?yīng)用程序的計(jì)算問題。隨著 GPU 加速計(jì)算的出現(xiàn)，此性能瓶頸問題迎刃而解。

為滿足并超越數(shù)據(jù)處理的現(xiàn)代需求，NVIDIA 一直與 Apache Spark 社區(qū)進(jìn)行合作，通過推出 Spark 3.0 版本和用于 Spark 的開源 RAPIDS 加速器，將 GPU 應(yīng)用于 Spark 的本機(jī)處理。在 Spark 中引入 GPU 加速具有諸多優(yōu)勢(shì)：

數(shù)據(jù)處理、查詢和模型訓(xùn)練能夠更快完成，縮短結(jié)果獲取時(shí)間。

同一個(gè) GPU 加速的基礎(chǔ)設(shè)施可用于 Spark 和 ML/DL(深度學(xué)習(xí))框架，因而無需使用單獨(dú)的集群，并讓整個(gè)流程都能獲得 GPU 加速。

減少所需的服務(wù)器數(shù)量，降低基礎(chǔ)設(shè)施成本。

用于 APACHE SPARK 的 RAPIDS 加速器

RAPIDS 是一套開源軟件庫和 API，可完全在 GPU 上執(zhí)行端到端數(shù)據(jù)科學(xué)和分析流程，能夠?qū)崿F(xiàn)大幅的速度提升，在大型數(shù)據(jù)集上尤是如此。用于 Apache Spark 的 RAPIDS 加速器基于 NVIDIA CUDA 和 UCX 構(gòu)建，支持 GPU 加速的 SQL/DataFrame 操作和 Spark shuffle，且無需更改代碼。

Apache Spark 加速的端到端 AI 平臺(tái)堆棧

加速 SQL/DataFrame

Spark 3.0 支持 SQL 優(yōu)化器插件，使用列式批量(而非行式)處理數(shù)據(jù)。列式數(shù)據(jù)非常適合 GPU，并且 RAPIDS 加速器可插入此功能以加速 SQL 和 DataFrame 運(yùn)算符。針對(duì) RAPIDS 加速器，Catalyst 查詢優(yōu)化器進(jìn)行了修改，可識(shí)別通過 RAPIDS API 加速的查詢方案(主要是一對(duì)一映射)中的運(yùn)算符，并可在執(zhí)行查詢方案時(shí)在 Spark 集群中的 GPU 上調(diào)度這些運(yùn)算符。

加速 Shuffle

在階段之間從現(xiàn)有 DataFrame 創(chuàng)建新 DataFrame 時(shí)，按值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序、分組或合并的 Spark 操作必須移動(dòng)分區(qū)之間的數(shù)據(jù)，此過程稱為 shuffle，其中涉及磁盤 I/O、數(shù)據(jù)序列化和網(wǎng)絡(luò) I/O。新的 RAPIDS 加速器 shuffle 實(shí)施利用 UCX 優(yōu)化 GPU 數(shù)據(jù)傳輸，盡可能在 GPU 上保留更多的數(shù)據(jù)，通過使用優(yōu)質(zhì)的可用硬件資源，找到在節(jié)點(diǎn)間移動(dòng)數(shù)據(jù)的快速路徑(包括繞過 CPU 執(zhí)行 GPU 到 GPU 顯存的節(jié)點(diǎn)內(nèi)和節(jié)點(diǎn)間傳輸)。

加速器感知型調(diào)度

為推動(dòng)旨在更好地統(tǒng)一深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)處理的重要 Spark 計(jì)劃，GPU 在 Apache Spark 3.0 中現(xiàn)已成為可調(diào)度資源。這使得 Spark 能夠使用特定數(shù)量的 GPU 來調(diào)度執(zhí)行程序，并且用戶可以指定每個(gè)任務(wù)所需的 GPU 數(shù)量。Spark 將這些資源請(qǐng)求傳送至底層集群管理器、Kubernetes、YARN 或 Standalone。用戶還可以配置發(fā)現(xiàn)腳本，檢測(cè)集群管理器分配的 GPU。這大大簡化了需要 GPU 的 ML 應(yīng)用程序的運(yùn)行，因?yàn)橹坝脩粜枰幚?Spark 應(yīng)用程序中缺少 GPU 調(diào)度的問題。

加速 XGBoost

XGBoost 是一種可擴(kuò)展的分布式梯度提升決策樹 (GBDT) ML 庫。

XGBoost 提供并行樹提升功能，是應(yīng)用于回歸、分類和排序問題的出色 ML 庫。RAPIDS 團(tuán)隊(duì)與 Distributed Machine Learning Common (DMLC) XGBoost 組織密切合作，而且 XGBoost 現(xiàn)已包含無縫嵌入式 GPU 加速。另外，Spark 3.0 XGBoost 現(xiàn)已與 Rapids 加速器集成，借助 Spark SQL/DataFrame 操作的 GPU 加速、XGBoost 訓(xùn)練時(shí)間的 GPU 加速，以及內(nèi)存優(yōu)化存儲(chǔ)功能的高效 GPU 顯存利用率，可改善性能、準(zhǔn)確性和成本。

在 Spark 3.0 中，您現(xiàn)在可以有單個(gè)流程，從數(shù)據(jù)提取到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，再到在 GPU 驅(qū)動(dòng)的集群上訓(xùn)練模型，皆包含在內(nèi)

SPARK 用例示例

欺詐檢測(cè)

對(duì)于需要快速?zèng)Q策并涉及多個(gè)數(shù)據(jù)源的情況而言，運(yùn)行快速的 Spark 是不二之選。例如，金融機(jī)構(gòu)檢測(cè)信用卡欺詐的方法之一是，分析單一帳戶上的交易量和交易地點(diǎn)。如果交易次數(shù)超出個(gè)人能力范圍，或者多個(gè)交易發(fā)生在不同地點(diǎn)，而交易地點(diǎn)相距不合情理，則表明一個(gè)帳戶已被泄露。

銀行可以使用 Apache Spark 來根據(jù)使用模式創(chuàng)建帳戶持有者的統(tǒng)一視圖。機(jī)器學(xué)習(xí)可用于根據(jù)先前觀察到的模式，檢測(cè)超出規(guī)范的模式。這還可以使機(jī)構(gòu)更好地根據(jù)客戶個(gè)人需求來定制優(yōu)惠。

醫(yī)療健康

在美國，藥物的不良相互作用是第四大致死原因，排在肺癌、糖尿病和肺炎之前。確定多種藥物如何相互作用以對(duì)患者造成不良后果，這一問題的復(fù)雜程度呈指數(shù)級(jí)增加，隨著新藥不斷推出，這一問題在每一年都更加復(fù)雜。

借助 Spark，數(shù)據(jù)科學(xué)家可以創(chuàng)建算法，掃描數(shù)百萬份病例記錄并查找提及的藥物類型。某些藥物的組合可以與治療結(jié)果相關(guān)聯(lián)，并按原先存在的狀況和病史等因素加權(quán)。然后可以將結(jié)果應(yīng)用于個(gè)別患者的健康記錄，在開具處方或填寫處方之前提醒醫(yī)生和藥師注意出現(xiàn)不良反應(yīng)的可能性。

為何 APACHE SPARK 如此重要

Spark 3.0 是數(shù)據(jù)科學(xué)家和數(shù)據(jù)工程師在分析和 AI 領(lǐng)域協(xié)作的一個(gè)重要里程碑，其使 ETL 操作得到加速，同時(shí) ML 和 DL 應(yīng)用程序也能夠利用相同的 GPU 基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)據(jù)科學(xué)團(tuán)隊(duì)

將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用形式需要完成眾多普通任務(wù)，數(shù)據(jù)科學(xué)的“魔力”對(duì)此也無計(jì)可施。該過程涉及對(duì)數(shù)百萬或數(shù)十億條記錄中的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(例如郵政編碼、日期和 SKU 編號(hào))進(jìn)行分類和排序。數(shù)據(jù)集越大，處理時(shí)間越長。據(jù)估計(jì)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備會(huì)占用數(shù)據(jù)科學(xué)家 80% 的時(shí)間。

Hadoop 是一項(xiàng)大規(guī)模執(zhí)行數(shù)據(jù)分析的突破性技術(shù)，使數(shù)據(jù)科學(xué)家能夠針對(duì)超大型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)執(zhí)行查詢。但是，處理時(shí)間通常很長，尤其是在需要對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)集執(zhí)行重復(fù)掃描時(shí)，這在進(jìn)行分類和數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)時(shí)經(jīng)常發(fā)生。

Spark 專為跨大型數(shù)據(jù)集的迭代查詢而構(gòu)建。與 Hadoop/MapReduce 相比，其速度快達(dá) 100 倍，迅速獲得了數(shù)據(jù)科學(xué)家的青睞。Spark 還可輕松適應(yīng) Python、R 和 Scala 等面向數(shù)據(jù)科學(xué)的開發(fā)語言。由于大多數(shù)數(shù)據(jù)科學(xué)家都習(xí)慣于使用單個(gè)編程工具，因此 Spark 能夠輕松適應(yīng)個(gè)人需求。

Spark SQL 還引入了名為 DataFrame 的數(shù)據(jù)抽象概念，該概念支持結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并且支持多語言操作。通過這種概念，熟悉的 SQL 語言能夠以新方式應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。Spark ML 提供了一套統(tǒng)一的高級(jí)別 API，這些 API 基于 DataFrame 構(gòu)建，用于搭建 ML 流程或 ML 工作流程?；?DataFrame 構(gòu)建 ML 流程可實(shí)現(xiàn)分區(qū)數(shù)據(jù)處理的可擴(kuò)展性，且便于通過 SQL 進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

數(shù)據(jù)工程團(tuán)隊(duì)

數(shù)據(jù)工程師彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)科學(xué)家與開發(fā)者之間的差距。數(shù)據(jù)科學(xué)家選擇合適的數(shù)據(jù)類型和算法來解決問題，而數(shù)據(jù)工程師則與數(shù)據(jù)科學(xué)家和開發(fā)者開展合作，處理與數(shù)據(jù)流程創(chuàng)建相關(guān)的所有工作，用于數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和分析，以構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用程序。

Spark 將復(fù)雜性從存儲(chǔ)方程中抽象出來。該框架可以處理幾乎任何底層存儲(chǔ)(包括 Hadoop 分布式文件系統(tǒng))，因此比 Hadoop 更靈活，更適用于云和本地基礎(chǔ)設(shè)施的組合。Spark 還可以輕松整合流數(shù)據(jù)源，使其成為適用于新一代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的引擎。

原文標(biāo)題：NVIDIA大講堂 | 什么是 APACHE SPARK?

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審核編輯：湯梓紅