为什么有些模型FLOPs很低，推理速度却很慢？

2020 年 4 月 27 日 极市平台

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本文授权转自知乎作者Phoenix Li，https://zhuanlan.zhihu.com/p/122943688。未经作者授权，不得二次转载。

何恺明大神的新作RegNet又打了EfficientNet 的推理速度问题。在何恺明大神的这篇文章中，RegNet号称比EfficientNet快了5倍，同时性能还更好（互相怼还挺真实的）。

EfficientNet被“吐槽”许多，首先是transfer learning的困难，EfficientNet那些古怪的超参使它看起来更像是对ImageNet的“过拟合”。然后是EfficientNet很低的FLOPs却伴随着较高的推理时间，比如B3版本的FLOPs不到ResNet50的一半，推理速度却是ResNet50的两倍。

今天主要谈一下FLOPs与模型推理速度的关系，为什么有些模型FLOPs很低，以EfficientNet为代表，其推理速度却很慢。

首先感谢飞哥的科普：

大部分时候，对于GPU，算力瓶颈在于访存带宽。而同种计算量，访存数据量差异巨大。

而EfficientNet这样网络的特点，就是使用了大量的低FLOPs、高数据读写量的操作，更具体来说，就是depthwise卷积操作。这些具有高数据读写量的操作，加上GPU的访存带宽限制，使得模型把大量的时间浪费在了从显存中读写数据上，GPU的算力没有得到“充分利用”。

相关的研究其实在ShuffleNet V2中已经提出，ShuffleNet V2看到了GPU访存带宽对于模型推理时间的影响，而不仅仅是模型复杂度，也就是FLOPs和参数量对于推理时间的影响。ShuffleNet V2把depthwise卷积归为element-wise操作，同时指出element-wise操作具有低FLOPs，高推理时间的特点。今天借着RegNet，说一说depthwise卷积和普通卷积的区别，为什么depthwise卷积是低FLOPs，高推理时间，为什么ShuffleNet V2把depthwise卷积称为element-wise操作是合理？

首先RegNet文章中有这样一段话：

In addition to flops and parameters, we analyze network activations, which we define as the size of the output tensors of all conv layers (we list complexity measures of common conv operators in Figure 12, top-left). While not a common measure of network complexity, activations can heavily affect runtime on memory-bound hard- ware accelerators (e.g., GPUs, TPUs),

作者提出了network activations的概念，注意这里的activation跟ReLU这种激活函数不同，这里activation指的是网络卷积层输出的tensor大小之和，作者认为这一指标更能检验模型的推理速度。不难看出，其实这个输出的tensor大小，就可以看作模型进行推理时，需要从显存中读取的feature blob的大小，近似可以认为是访存数据量的大小。
那么我们不妨从activation这个角度看看EfficientNet，看看depthwise卷积与普通卷积的区别。二者在同等FLOPs下，activation有什么不同？这种不同为什么又会导致推理速度的不同？

为简化处理，以下内容只计算乘法，不计算加法。

假设一个大小为56*56*100的feature（H*W*C），经过一个kernel size为3x3的普通卷积layer，卷积layer的输出channel也是100。其FLOPs计算过程如下：

一个卷积kernel的大小为：3*3*100，与feature上一个同等大小的blob进行卷积，这是一个逐元素点乘操作，总共有3*3*100次乘法。然后卷积layer输出channel是100，说明有100个这样的卷积kernel，同时在feature的空间位置上，每个像素点都要重复一次卷积操作，共56*56次，所以总的FLOPs为：3*3*100*100*56*56。卷积核参数总量为：3*3*100*100。

然后为了达到同样的FLOPs，我们假设另一个大小为56*56*10000的feature，经过一个kernel size为3x3的depthwise卷积layer，卷积layer的输出channel是10000。其FLOPs计算过程如下：

一个卷积kernel的大小为：3*3*1，与feature上一个同等大小的blob进行卷积，总共有3*3次乘法。然后10000个channel通道，每个通道互相独立，对应着10000个不同的卷积kernel，所以重复这一卷积过程10000次。同时在feature的空间位置上逐元素重复，总的FLOPs为：3*3*10000*56*56。卷积核参数总量为：3*3*1*10000。

可以看到，两个layer的FLOPs和参数量完全相同。但是推理速度方面，depthwise卷积要远远慢于普通卷积。其原因就是访存数据量的不同：

由于卷积计算本身已经是flatten的，不需要考虑重复读取问题，那么总共读取的数据量就是feature的大小加上卷积核weight的大小，对于普通卷积来说，总读取数据量为：100*56*56 + 3*3*100*100 = 4.0e+05。类似的，depthwise卷积读取的数据总量为：56*56*10000 + 3*3*10000 = 3.1e+07。

可以看到，在同等FLOPs的情况下，depthwise卷积对应的feature size比普通卷积大的多，受制于GPU访存带宽，过高的数据读取与写入量就成为了限制推理速度的瓶颈。

然后这与element-wise操作有什么关系呢？

与element-wise相对应的，其实是矩阵乘法操作，矩阵乘法操作的特点是“数据复用”。假设一个100*1的矩阵与1*100的矩阵相乘，总共10000次乘法，总共的数据量只有2*100。因为每一个元素都要参与100次乘法，大量的数据存在复用；而换做element-wise操作，10000次乘法就是10000维的向量与另一个10000维的向量进行点乘，10000次乘法互相独立，不存在任何数据复用。

而在网络层面，普通卷积操作都可以看作“矩阵乘法”，存在着数据复用。在上面提到的3x3普通卷积中，一个3*3*100的feature blob会跟所有的卷积核相乘，每一个3*3*100的卷积核又会与所有的feature blob相乘。而ReLU这样的激活函数，ResNet block中的shortcut等等，都是elment-wise操作，逐元素求取sigmoid/逐元素相加。这些过程中每次操作之间是不存在数据复用的。而depthwise卷积也有这样的特点，可以称作“channel-wise”或者说“kernel-wise”。depthwise卷积中每一个channel对应着不同的卷积核和feature blob，每次卷积操作之间不牵涉“数据复用”，因此从这个角度，可以说depthwise卷积某种程度上说也是一种“element-wise”操作。

我们再回头看EfficientNet，不难看出其中的“取巧”成分。数据访存量与feature size（RegNet中的activation）有关，而feature size又与空间尺寸以及channel通道数（或者换句话说，网络的宽度width）有关。EfficientNet的一个核心就是增大空间尺寸或者网络宽度width以提升模型精度。

由于depthwise卷积的存在，增大feature的空间尺寸，或者channel通道数（width）都不会显著地增加FLOPs。因此EfficientNet可以声称自己是低FLOPs，但不得不说，这是一种“FLOPs假象”。因为feature size的增大会增加数据访存量，进而增加模型推理时间，这是单纯的FLOPs反映不出来的。

RegNet的附录部分有一些对于depthwise卷积，以及swish激活函数的相关实验，虽然只有结论没有讨论，也是很值得一看，比如swish和depthwise卷积很搭，其他的一般；比如depthwise卷积在各种FLOPs区间都没有体现出相较于普通卷积的优势等等。

同时略“讽刺”的是，同等FLOPs情况下，RegNet跟EfficientNet比较“推理速度”，确实提升了5倍，但这其实相当于利用depthwise卷积低FLOPs高数据访存量的弱点，反过来打EfficientNet。

当然RegNet那些“炼金术公式”一般的结论也是挺有趣的，仿佛在观察NAS的炼金世界，然后找寻“自然规律”。不过只有observation没有discussion放在头几年会被导师骂吧，就像根据实验现象总结物理公式一样。。

2020/04/19更新

最近李沐大神投稿ECCV20的文章ResNest，也有和EfficientNet一样的问题。如果ResNest的channel数量（网络宽度）和标准ResNet/ResNext一样的话，它的速度绝对会慢于ResNet/ResNext。本质上来讲，ResNest，更像是把SEResNext网络又做了一次拆分。而更多的“拆分”，在参数量一定的情况下，一定会降低推理速度，具体可参看ShuffleNetV2。

Figure 1中拿ResNest跟SEResNet154比较。。。拿基于普通卷积的结构，跟基于Depthwise卷积的EfficientNet比推理速度，也挺。。。最后，用large batchsize，mixup，label smoothing，和auto augmentation训练。。。

2020/04/22更新

刚在相关问题回答里跟ResNest作者讨论的时候又发现一个学术论文与工业界需求偏差的地方。

好多使用attention的网络，比如x=x*sigmoid(x)，实际上需要把tensor拷贝一次，这其实增大了显存占用，而显存占用是影响工业界实际应用的。因为工业界考虑的不是FLOPs，甚至也不是单纯的inference time，考虑的是把一块儿GPU打满情况下的QPS（queries per second）。用图片分类为例，就是