深度学习模型加速方法

深度学习（Deep Learning）因其计算复杂度或参数冗余，在一些场景和设备上限制了相应的模型部署，需要借助模型压缩、优化加速、异构计算等方法突破瓶颈。

• 模型压缩算法能够有效降低参数冗余，从而减少存储占用、通信带宽和计算复杂度，有助于深度学习的应用部署，具体可划分为如下几种方法（后续重点介绍剪枝与量化）：

1. 线性或非线性量化：1/2bits, int8 和 fp16等；
2. 结构或非结构剪枝：deep compression, channel pruning 和 network slimming等；
3. 其他：权重矩阵的低秩分解，知识蒸馏与网络结构简化（squeeze-net, mobile-net, shuffle-net）等；

• 模型优化加速能够提升网络的计算效率，具体包括：

1. Op-level的快速算法：FFT Conv2d (7x7, 9x9), Winograd Conv2d (3x3, 5x5) 等；
2. Layer-level的快速算法：Sparse-block net [1] 等；
3. 优化工具与库：TensorRT (Nvidia), Tensor Comprehension (Facebook) 和 Distiller (Intel) 等；

• 异构计算方法借助协处理硬件引擎（通常是PCIE加速卡、ASIC加速芯片或加速器IP），完成深度学习模型在数据中心或边缘计算领域的实际部署，包括GPU、FPGA或DSA (Domain Specific Architecture) ASIC等。异构加速硬件可以选择定制方案，通常能效、性能会更高，目前市面上流行的AI芯片或加速器可参考 [2]。显然，硬件性能提升带来的加速效果非常直观，例如2080ti与1080ti的比较（以复杂的PyramidBox人脸检测算法为例，约提速36%）；另外，针对数据中心部署应用，通常选择通用方案，会有完善的生态支持，例如NVIDIA的CUDA，或者Xilinx的xDNN。

 

2. TensorRT基础

TensorRT是NVIDIA推出的深度学习优化加速工具，采用的原理如下图所示，具体可参考[3] [4]：

TensorRT能够优化重构由不同深度学习框架训练的深度学习模型：

• 对于Caffe与TensorFlow训练的模型，若包含的操作都是TensorRT支持的，则可以直接由TensorRT优化重构；
• 对于MXnet, PyTorch或其他框架训练的模型，若包含的操作都是TensorRT支持的，可以采用TensorRT API重建网络结构，并间接优化重构；
• 其他框架训练的模型，转换为ONNX中间格式后，若包含的操作是TensorRT支持的，可采用TensorRT-ONNX接口予以优化 [27]；
• 若训练的网络模型包含TensorRT不支持的操作：

1. TensorFlow模型可通过tf.contrib.tensorrt转换，其中不支持的操作会保留为TensorFlow计算节点；MXNet也支持类似的计算图转换方式；
2. 不支持的操作可通过Plugin API实现自定义并添加进TensorRT计算图，例如Faster Transformer的自定义扩展 [26]；
3. 将深度网络划分为两个部分，一部分包含的操作都是TensorRT支持的，可以转换为TensorRT计算图。另一部则采用其他框架实现，如MXnet或PyTorch；

• TensorRT的int8量化需要校准（calibration）数据集，一般至少包含1000个样本（反映真实应用场景），且要求GPU的计算功能集sm >= 6.1；

在1080ti平台上，基于TensorRT4.0.1，Resnet101-v2的优化加速效果如下：

在1080ti/2080ti平台上，基于TensorRT5.1.5，Resnet101-v1d的float16加速效果如下（由于2080ti包含Tensor Core，因此float16加速效果较为明显）：

3. 网络剪枝

深度学习模型因其稀疏性或过拟合倾向，可以被裁剪为结构精简的网络模型，具体包括结构性剪枝与非结构性剪枝：

• 非结构剪枝：通常是连接级、细粒度的剪枝方法，精度相对较高，但依赖于特定算法库或硬件平台的支持，如Deep Compression [5], Sparse-Winograd [6] 算法等；
• 结构剪枝：是filter级或layer级、粗粒度的剪枝方法，精度相对较低，但剪枝策略更为有效，不需要特定算法库或硬件平台的支持，能够直接在成熟深度学习框架上运行。如局部方式的、通过layer by layer方式的、最小化输出FM重建误差的Channel Pruning [7], ThiNet [8], Discrimination-aware Channel Pruning [9]；全局方式的、通过训练期间对BN层Gamma系数施加L1正则约束的Network Slimming [10]；全局方式的、按Taylor准则对Filter作重要性排序的Neuron Pruning [11]；全局方式的、可动态重新更新pruned filters参数的剪枝方法 [12]；基于GAN思想的GAL方法 [24]，可裁剪包括Channel, Branch或Block等在内的异质结构；借助Geometric Median确定卷积滤波器冗余性的剪枝策略 [28]；

以Channel Pruning为例，结构剪枝的规整操作如下图所示，可兼容现有的、成熟的深度学习框架：

4. 模型量化

模型量化是指权重或**输出可以被聚类到一些离散、低精度（reduced precision）的数值点上，通常依赖于特定算法库或硬件平台的支持：

• 二值化网络：XNORnet [13], ABCnet with Multiple Binary Bases [14], Bin-net with High-Order Residual Quantization [15], Bi-Real Net [16]；
• 三值化网络：Ternary weight networks [17], Trained Ternary Quantization [18]；
• W1-A8 或 W2-A8量化： Learning Symmetric Quantization [19]；
• INT8量化：TensorFlow-lite [20], TensorRT [21], Quantization Interval Learning [25]；
• 其他（非线性）：Intel INQ [22], log-net, CNNPack [23] 等；

若模型压缩之后，推理精度存在较大损失，可以通过fine-tuning予以恢复，并在训练过程中结合适当的Tricks，例如Label Smoothing、Mix-up、Knowledge Distillation、Focal Loss等。 此外，模型压缩、优化加速策略可以联合使用，进而可获得更为极致的压缩比与加速比。例如结合Network Slimming与TensorRT int8优化，在1080ti Pascal平台上，Resnet101-v1d在压缩比为1.4倍时（Size=170MB->121MB，FLOPS=16.14G->11.01G），经TensorRT int8量化之后，推理耗时仅为7.4ms（Batch size=8）。

其中知识蒸馏（Knowledge Distillation）相关的讨论可参考：

https://blog.****.net/nature553863/article/details/80568658

 

References

[1] https://arxiv.org/abs/1801.02108, Github: https://github.com/uber/sbnet

[2] https://basicmi.github.io/Deep-Learning-Processor-List/

[3] https://devblogs.nvidia.com/tensorrt-3-faster-tensorflow-inference/

[4] https://devblogs.nvidia.com/int8-inference-autonomous-vehicles-tensorrt/

[5] https://arxiv.org/abs/1510.00149

[6] https://arxiv.org/abs/1802.06367,  https://ai.intel.com/winograd-2/, Github: https://github.com/xingyul/Sparse-Winograd-CNN

[7] https://arxiv.org/abs/1707.06168,  Github: https://github.com/yihui-he/channel-pruning

[8] https://arxiv.org/abs/1707.06342

[9] https://arxiv.org/abs/1810.11809, Github: https://github.com/Tencent/PocketFlow

[10] https://arxiv.org/abs/1708.06519,  Github: https://github.com/foolwood/pytorch-slimming

[11] https://arxiv.org/abs/1611.06440,  Github: https://github.com/jacobgil/pytorch-pruning

[12] http://xuanyidong.com/publication/ijcai-2018-sfp/

[13] https://arxiv.org/abs/1603.05279,  Github: https://github.com/ayush29feb/Sketch-A-XNORNet

                                                             Github: https://github.com/jiecaoyu/XNOR-Net-PyTorch

[14] https://arxiv.org/abs/1711.11294,  Github: https://github.com/layog/Accurate-Binary-Convolution-Network

[15] https://arxiv.org/abs/1708.08687

[16] https://arxiv.org/abs/1808.00278, Github: https://github.com/liuzechun/Bi-Real-net

[17] https://arxiv.org/abs/1605.04711

[18] https://arxiv.org/abs/1612.01064,  Github: https://github.com/czhu95/ternarynet

[19] http://phwl.org/papers/syq_cvpr18.pdf,  Github: https://github.com/julianfaraone/SYQ

[20] https://arxiv.org/abs/1712.05877

[21] http://on-demand.gputechconf.com/gtc/2017/presentation/s7310-8-bit-inference-with-tensorrt.pdf

[22] https://arxiv.org/abs/1702.03044

[23] https://papers.nips.cc/paper/6390-cnnpack-packing-convolutional-neural-networks-in-the-frequency-domain

[24] https://blog.****.net/nature553863/article/details/97631176

[25] https://blog.****.net/nature553863/article/details/96857133

[26] https://github.com/NVIDIA/DeepLearningExamples/tree/master/FasterTransformer

[27] https://github.com/onnx/onnx-tensorrt

[28] https://blog.****.net/nature553863/article/details/97760040