模型压缩部署概述

时间：2023-01-06 14:59:54

一，模型在线部署

深度学习和计算机视觉方向除了算法训练/研究，还有两个重要的方向: 模型压缩（模型优化、量化）、模型部署（模型转换、后端功能SDK开发）。所谓模型部署，即将算法研究员训练出的模型部署到具体的端边云芯片平台上，并完成特定业务的视频结构化应用开发。

现阶段的平台主要分为云平台（如英伟达 GPU）、手机移动端平台（ARM 系列芯片）和其他嵌入式端侧平台（海思 3519、安霸 CV22、地平线 X3、英伟达 jetson tx2 等芯片）。对于模型部署/移植/优化工程师来说，虽然模型优化、量化等是更有挑战性和技术性的知识，但是对于新手的我们往往是在做解决模型无法在端侧部署的问题，包括但不限于：实现新 OP、修改不兼容的属性、修改不兼容的权重形状、学习不同芯片平台的推理部署框架等。对于模型转换来说，现在行业主流是使用 Caffe 和 ONNX 模型作为中间模型。

1.1，深度学习项目开发流程

在高校做深度学习 demo 应用一般是这样一个过程，比如使用 Pytorch/TensorFlow 框架训练出一个模型，然后直接使用 Pytorch 框架做推理（test）完成功能验证，但是在工业界这是不可能的，因为这样模型推理速度很慢，一般我们必须有专门的深度学习推理加速框架去做模型推理（inference）。以 GPU 云平台推理框架 TensorRT 为例，简单描述模型训练推理过程就是：训练好网络模型（权重参数数据类型为 FP32）输入 TensorRT，然后 TensorRT 做解析优化，并进行在线推理和输出结果。两种不同的模型训练推理过程对比如下图所示:

模型压缩部署概述

前面的描述较为简单，实际在工业届，理想的深度学习项目开发流程应该分为三个步骤: 模型离线训练、模型压缩和模型在线部署，后面两个步骤互有交叉，具体详情如下：

  1. 模型离线训练：实时性低，数据离线且更新不频繁，batchsize 较大，消耗大量 GPU 资源。

    • 设计开发模型网络结构;
    • 准备数据集并进行数据预处理、EDA 等操作；
    • 深度学习框架训练模型：数据增强、超参数调整、优化器选择、训练策略调整（多尺度训练）、TTA、模型融合等；
    • 模型测试。

  2. 模型优化压缩：主要涉及模型优化、模型转换、模型量化和模型编译优化，这些过程很多都在高性能计算推理框架中集成了，各个芯片厂商也提供了相应的工具链和推理库来完成模型优化压缩。实际开发中，在不同的平台选择不同的推理加速引擎框架，比如 GPU 平台选择 TensorRT，手机移动端（ARM）选择 NCNN/MNN，NPU 芯片平台，如海思3519、地平线X3、安霸CV22等则直接在厂商给出的工具链进行模型的优化（optimizer）和压缩。

    • 模型优化 Optimizer：主要指计算图优化。首先对计算图进行分析并应用一系列与硬件无关的优化策略，从而在逻辑上降低运行时的开销，常见的类似优化策略其包括：算子融合（conv、bn、relu 融合）、算子替换、常数折叠、公共子表达式消除等。
    • 模型转换 Converter：Pytorch->Caffe、Pytorch->ONNX、ONNX模型->NCNN/NPU芯片厂商模型格式（需要踩坑非常多，Pytorch、ONNX、NPU 三者之间的算子要注意兼容）。注意 ONNX 一般用作训练框架和推理框架之间转换的中间模型格式。
    • 模型量化 Quantizer：主要指训练后量化（Post-training quantization PTQ）；权重、激活使用不同的量化位宽，如速度最快的量化方式 w8a8、速度和精度平衡的量化方式 w8a16。
    • 模型编译优化（编译优化+NPU 指令生成+内存优化）Compiler：模型编译针对不同的硬件平台有不同优化方法，与前面的和硬件无关的模型层面的优化不同。GPU平台存在 kernel fusion 方法；而 NPU 平台算子是通过特定二进制指令实现，其编译优化方法包括，卷积层的拆分、卷积核权重数据重排、NPU 算子调优等。

  3. 模型部署/SDK输出: 针对视频级应用需要输出功能接口的SDK。实时性要求高，数据线上且更新频繁，batchsize 为 1。主要需要完成多模型的集成、模型输入的预处理、非DL算法模块的开发、 各个模块 pipeline 的串联，以及最后 c 接口（SDK）的输出。

    • 板端框架模型推理: Inference：C/C++。不同的 NPU 芯片/不同的公司有着不同的推理框架，但是模型的推理流程大致是一样的。包括：输入图像数据预处理、加载模型文件并解析、填充输入图像和模型权重数据到相应地址、模型推理、释放模型资源。这里主要需要学习不同的模型部署和推理框架。
    • pipeline 应用开发: 在实际的深度学习项目开发过程中，模型推理只是其中的基础功能，具体的我们还需要实现多模型的集成、模型输入前处理、以及非 DL 算法模块的开发: 包括检测模块、跟踪模块、选帧模块、关联模块和业务算法模块等，并将各模块串联成一个 pipeline，从而完成视频结构化应用的开发。
    • SDK集成: 在完成了具体业务 pipeline 的算法开发后，一般就需要输出 c 接口的 SDK 给到下层的业务侧（前后端）人员调用了。这里主要涉及 c/c++ 接口的转换、pipeline 多线程/多通道等sample的开发、以及大量的单元、性能、精度、稳定性测试。
    • 芯片平台板端推理 Inference，不同的 NPU 芯片有着不同的 SDK 库代码，但是模型运行流程类似。

不同平台的模型的编译优化是不同的，比如 NPU 和一般 GPU 的区别在于后端模型编译上，GPU 是编译生成 kernel library(cuDNN 函数)，NPU 是编译生成二进制指令；前端的计算图优化没有本质区别，基本通用。

所以综上所述，深度学习项目开发流程可以大致总结为三个步骤: 模型离线训练、模型优化压缩和模型部署/SDK输出，后两个步骤互有交叉。前面 2 个步骤在 PC 上完成，最后一个步骤开发的代码是需要在在 AI 芯片系统上运行的。最后以视差模型在海思 3519 平台的部署为例，其模型部署工作流程如下：

模型压缩部署概述

1.2，模型训练和推理的不同

为了更好进行模型优化和部署的工作，需要总结一下模型推理（Inference）和训练（Training）的不同：

  1. 网络权重值固定，只有前向传播（Forward），无需反向传播，因此：
    • 模型权值和结构固定，可以做计算图优化，比如算子融合等；
    • 输入输出大小固定，可以做 memory 优化，比如 feature 重排和 kernel 重排。
  2. batch_size 会很小（比如 1），存在 latency 的问题。
  3. 可以使用低精度的技术，训练阶段要进行反向传播，每次梯度的更新是很微小的，需要相对较高的精度比如 FP32 来处理数据。但是推理阶段，对精度要求没那么高，现在很多论文都表明使用低精度如 in16 或者 int8 数据类型来做推理，也不会带来很大的精度损失。

二，手机端CPU推理框架的优化

对于 HPC 和软件工程师来说，在手机 CPU 端做模型推理框架的优化，可以从上到下考虑：

  1. 算法层优化：最上面就是算法层，如可以用winograd从数学上减少乘法的数量（仅在大channel尺寸下有效）；
  2. 框架优化：推理框架可以实现内存池、多线程等策略；
  3. 硬件层优化：主要包括: 适应不同的硬件架构特性、pipeline和cache优化、内存数据重排、NEON 汇编优化等。

三，参考资料

  1. 《NVIDIA TensorRT 以及实战记录》PPT
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