自动生成硬件优化内核：陈天奇等人发布深度学习编译器TVM
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内容来源：tvmlang
转载公众号：机器之心
微信号：almosthuman2014
作者：陈天奇等
参与：黄小天、李泽南
有了 TVM，业界与学界开发者们可以快速、轻松地在各个系统（包括手机、嵌入式设备与低功耗芯片）上部署深度学习应用程序，同时无须担心资源与速度的限制。「TVM 作为神经网络和硬件后端之间的共同层，消除了为每类设备或服务器优化各自基础架构的需要。」TVM 项目负责人陈天奇表示，「我们的框架允许开发人员快速、轻松地部署和优化大量硬件设备上的深度学习系统。」
项目链接：https://github.com/dmlc/tvm
深度学习如今无处不在且必不可少。这次创新部分得益于可扩展的深度学习系统，比如 TensorFlow、MXNet、Caffe 和 PyTorch。大多数现有系统针对窄范围的服务器级 GPU 进行了优化，并且需要在其他平台（如手机、IoT 设备和专用加速器（FPGA、 ASIC））上部署大量工作。随着深度学习框架和硬件后端数量不断增加，我们提出了一个统一的中间表征（IR）堆栈，可以弥补以生产力为中心的深度学习框架与性能或效率导向的硬件后端之间的差距。
我们很高兴宣布 TVM 的发行将解决这一问题。TVM 是一个全新的框架，它可以：
优化 CPU、GPU 和其他专业化硬件的常规深度学习的计算量
自动转换计算图以最小化内存利用率，优化数据布局，融合计算模式
提供从现有的前端框架到裸机硬件的端到端编译，一直到浏览器可执行的 Javascript
有了 TVM 的帮助，只需少量额外工作我们即可轻易地在手机端、嵌入式设备甚至浏览器上运行深度学习任务。TVM 还为多硬件平台上的深度学习工作负载提供了统一的优化框架，其中包括依赖全新计算原语的专用加速器。
通过采用编译器社区的共同理念，并提供两个中间表征层，我们有效地将高级深度学习算法降低到多硬件后端。在今天的版本中，我们开源了包含 x86、ARM、OpenCL、Metal、CUDA 和 Javascript 优化原语的 TVM 工具包。目前，我们正积极地为专用硬件加速和英伟达的 GEMM 优化的 Volta 架构提供支持。
技术细节
TVM 堆栈的目标在于提供一个可重复使用的工具链来将高级神经网络描述从深度学习框架前端向下编译为多硬件后端的低级机器代码。拿 Apache MXNet 作为前端的例子，以下代码段演示了如何使用 TVM 将深层学习模型的高级描述编译为针对目标硬件定制的优化可执行模块。
挑战在于支持多个硬件后端，同时将计算、内存和能源足迹（energy footprint）保持在最低水平。我们借鉴了编译器社区的共同理念，以弥合大量深度学习框架和硬件后端之间的差距：我们构建了一个由 NNVM 组成的两级中间层，一个可用于任务调度、内存管理以及 TVM（用于优化计算内核的富有表现力的低级 IR）的高级中间表征（IR）。
堆栈的第一级是基于计算图的表征。计算图是一个有向无环图，其表征作为节点的计算和作为边缘的数据流依赖性。这一表征非常强大：它允许我们将操作属性融入到计算图中，并指定转换规则以迭代优化计算图。这是一个被大多数现有深度学习框架的采用的惯常方法，包括 TVM 堆栈中的 NNVM 图表征、TensorFlow XLA 和英特尔的 ngraph。
很多强大的优化可由图优化框架支持。例如，我们提供了一个子线性内存优化功能，允许用户在单块 GPU 上训练 1000 层的 ImageNet ResNet。
然而，我们发现只基于 IR 的计算图并不足以应对支持不同硬件后端的挑战。原因是像卷积或矩阵乘法一样的图运算符可以非常不同的方式映射和优化每个硬件后端。这些特定硬件的优化在内存布局、并行线程模式、缓存访问模式和硬件原语选择方面的变数可能很大。我们希望能够以通用表征的方式明确地表达这些优化旋钮（optimization knob），以有效地导航优化空间。
我们构建了一个低级表征以解决这一问题。该表征基于索引公式，并额外支持递推计算。
低级 IR 采用现有的图像处理语言（比如 Halide 或 darkroom）的原理以制定一个富有表现力的深度学习 DSL。TVM 构建了由循环转换工具比如 loopy、多面体分析启发的图优化。我们也从深度学习框架比如 MXNet、TensorFlow、Theano 使用的数据流描述语言汲取灵感，然后在调度阶段对 TVM 中描述的算法进行处理，以应用针对目标硬件后端定制的转换。
TVM 包括通常出现在 CPU 优化框架中的标准转换原语。更重要的是，TVM 通过利用线程协作模式、数据布局转换和强大的新计算原语，集成了针对 GPU 的全新优化原语。TVM 与 NNVM 的结合为优化软件堆栈中深度学习工作负载提供了一个很好的机会，从而实现了图级别与运算符级别优化的联合计算。
多语言和平台支持
TVM 的众多优势之一在于它可以支持多种语言和平台。TVM 框架中有两个组件：编译器栈，其中包含完整的优化库以产生优化的机器代码；以及轻量级运行环境，提供在不同平台上部署编译模块所需的可移植性。
TVM 目前支持嵌入式编译器堆栈的 Python 和 C++ 接口。我们在设计中最大限度地重用框架，以便编译器堆栈的改进可以在 Python 和 C++ 组件之间互换使用。我们还提供了一个轻量级运行环境，可以在包括 Android、iOS、树莓派和 Web 浏览器在内的平台上直接运行诸如 Javascript、Java、Python 和 C++ 等语言的 TVM 编译代码。
远程部署和执行
TVM 支持使用 TVM PRC 进行交叉编译，测试嵌入式设备，这是一种轻量级界面，用于在远程嵌入式设备上部署和执行 TVM 交叉编译模块。我们 TVM 用户提供了易用的高级 Python 界面，用于在各种低级嵌入式设备上进行远程编译、优化，并测试深度学习算法。
性能
TVM 目前仍然处在早期发展阶段，我们会在未来看到更多改进，但目前它已经展现出了强大的实力。
TVM 为我们提供了灵活性，让我们可以探索不同硬件平台上，不同深度学习内核中丰富的优化空间。例如，TVM 允许我们裁剪数据布局，为内核与平台融合模式需求。注意，构建基线库可用于更通用的问题，而 TVM 的优化内核通过自动调整过程对人们评估的工作负载进行了大量调整。TVM 可以作为快速生成专属内核的绝佳工具。
本节列出的结果仍有提升空间。
树莓派
在结果的第一部分，我们比较了 TVM CPU 计划与 nnpack 在树莓派 3B 上执行 ResNet 任务的表现。由于时间有限，我们使用 TVM 实现直接卷积，而 nnpack 对 3×3 内核执行 winograd 转换。
我们可以看到，使用 TVM 自动调整内核，我们可以获得类似于 nnpack 中的手动优化内核的性能（实验在树莓派上进行）。
GPU 结果
PS. 该测试结果由 Leyuan Wang（AWS/UCDavis）、Yuwei Hu（图森未来）与 Weitang Liu（AWS/UCDavis）提供。
为了进行概念证明，我们构建了一种端到端编译管道，可以将 MXNet 模型编译成 TVM 执行图。我们通过自动融合运算符并使 TVM 生成融合的内核，在图形节点之间和之中应用优化。我们对 MobileNet 在 ImageNet 上的运行表现进行基准测试，结果如下：
我们可以看到，TVM 在速度上快过基准方法。更有意思的是，内核融合可以带来更快的速度提升。值得一提的是，TVM 可以自行生成所有优化 GPU 内核，而不依赖于外部库，如 CuDNN。
我们正在开展新的实验，期待获得更好的结果。
开源
TVM 始于华盛顿大学 Paul G. Allen 计算机科学与工程学院的研究项目。它被设计成支持 DLPack——一个被多种深度学习框架共享的张量数据结构。在开发过程中，我们得到了来自华盛顿大学、AWS、奇虎 360、Facebook、香港科技大学、图森未来、UCDavis、上海交大以及 DMLC 开源社区和 DLPack 计划成员们的支持。展望未来，该项目将继续遵循 Apache 开源模式，力图构建一个由社区维护的项目，欢迎大家的参与。
致谢
本项目的成功离不开以下所有人的通力合作：Yizhi Liu（奇虎 360）、Yuwei Hu（图森未来）、Xingjian Shi（香港科技大学）、Leyuan Wang（AWS/UCDavis）、Nicolas Vasilache（Facebook）、Jian Weng（UCLA）、Weitang Liu（AWS/UCDavis）、Edward Z. Yang（Facebook）、Lianmin Zheng（上海交通大学）、Qiao Zhang（华盛顿大学）、William Moses（Facebook/MIT）与 Hu Shiwen。作者同时感谢 Xianyi Zhang 和他富有建设性的讨论。
源代码
本工具 GitHub 页面：https://github.com/dmlc/tvm
下周将向 Apache MXNet 上游提供基于 TVM 堆栈和 MXNet 的图形编译工具链示例
TVM 与 DLPack 兼容，这意味着它可以轻松支持 MXNet、PyTorch、Caffe2 和 tiny-dnn 等采用该标准的框架。
有缘的人终会相聚，慕客君想了想，要是不分享出来，怕我们会擦肩而过~
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本文编辑：慕编组成员（小端午）
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