隨著深度學(xué)習(xí)模型復(fù)雜度和數(shù)據(jù)集規(guī)模的增大，計算效率的提升成為不可忽視的問題。然而，算法網(wǎng)絡(luò)的多樣性、輸入數(shù)據(jù)的不確定性以及硬件之間的差異性，使得網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)耗費巨大成本，即使是經(jīng)驗豐富的專家，也需要耗費數(shù)天的時間。
CANN（Compute Architecture for Neural Networks）是華為針對AI場景推出的異構(gòu)計算架構(gòu)，對上支持多種AI框架，對下服務(wù)AI處理器與編程，發(fā)揮承上啟下的關(guān)鍵作用，是昇騰AI基礎(chǔ)軟硬件平臺的核心。為了在提升網(wǎng)絡(luò)性能的同時降低巨大的人工調(diào)優(yōu)成本，CANN推出了自動化網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)工具AOE（Ascend Optimization Engine），通過構(gòu)建包含自動調(diào)優(yōu)策略生成、編譯、運行環(huán)境驗證的閉環(huán)反饋機制，不斷迭代，最終得到最優(yōu)調(diào)優(yōu)策略，從而在AI硬件上獲得最佳網(wǎng)絡(luò)性能。以ResNet50推理網(wǎng)絡(luò)為例，經(jīng)AOE調(diào)優(yōu)后的網(wǎng)絡(luò)性能提升100%以上，調(diào)優(yōu)耗時不到30分鐘。
針對網(wǎng)絡(luò)模型，AOE分別提供了算子調(diào)優(yōu)、子圖調(diào)優(yōu)與梯度調(diào)優(yōu)的功能。其中算子調(diào)優(yōu)，主要針對算子的調(diào)度（Schedule）進行優(yōu)化，從而使得昇騰AI處理器的多級Buffer與計算單元形成高效的流水并發(fā)作業(yè)流，充分釋放硬件算力；子圖調(diào)優(yōu)，通過智能化的數(shù)據(jù)切分策略提升緩存利用率，從而大幅提升計算效率；梯度調(diào)優(yōu)主要應(yīng)用于集群訓(xùn)練場景下，通過自動化尋找最優(yōu)梯度切分策略、降低通信拖尾時間，從而提升集群訓(xùn)練性能。同時，AOE能夠支持多種主流開源框架，在訓(xùn)練和推理場景下全方位滿足不同開發(fā)者的網(wǎng)絡(luò)性能調(diào)優(yōu)訴求。
算子調(diào)優(yōu)，提升計算節(jié)點執(zhí)行效率
1. 強化學(xué)習(xí)，生成Vector算子最優(yōu)調(diào)度策略
AI處理器在計算過程中需要精心排布才能充分發(fā)揮算力，計算組件間的流水排布很大一部分由調(diào)度來承載，一個很小的調(diào)度操作映射到硬件行為上都可能產(chǎn)生巨大的差異。想要提升網(wǎng)絡(luò)性能，勢必需要為給定網(wǎng)絡(luò)在指定設(shè)備上開發(fā)一套專屬的調(diào)度邏輯。
網(wǎng)絡(luò)的組成單元是算子，為算子執(zhí)行尋找最優(yōu)的調(diào)度策略是提升網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。昇騰AI處理器的核心計算單元是AI Core，針對運行在AI Core上的算子，可以分為Vector與Cube兩類，其中Vector算子主要負責執(zhí)行向量運算，Cube算子主要負責執(zhí)行矩陣運算。
針對Vector算子，CANN采用了RL強化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning）搜索框架，將算子調(diào)度過程抽象成了基于MCTS蒙特卡洛樹搜索（Monte Carlo Tree Search）的決策鏈，并模擬人工進行決策，再通過和環(huán)境不斷交互得到性能數(shù)據(jù)，作為反饋值指導(dǎo)下一步?jīng)Q策。通過此方法一步步改善自身行為，最終獲取算子執(zhí)行對應(yīng)的完整最優(yōu)調(diào)度策略。
經(jīng)過AOE調(diào)優(yōu)后的Vector算子，平均性能較調(diào)優(yōu)前可提升10%以上，平均調(diào)優(yōu)時間僅需200s，效率與性能都有較大提升。
2. 遺傳算法，提高Cube算子搜索效率
我們知道在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中包含了大量的矩陣乘計算，而這部分計算在昇騰AI處理器中均通過Cube算力來承擔，因此Cube算子作為重型算子，在網(wǎng)絡(luò)中的影響權(quán)重較大，所以針對Cube算子的性能提升會給整個網(wǎng)絡(luò)的性能帶來較大的收益。
通過強化學(xué)習(xí)模式的搜索，我們已經(jīng)可以做到解放人力進行Vector類型的算子優(yōu)化，因為Vector算子的計算Buffer單一，調(diào)度算法可以基于各種Schedule原語為算子構(gòu)建完整的調(diào)度策略。而Cube算子涉及多塊片上Buffer之間的數(shù)據(jù)交互，如果按照和Vector算子相同的調(diào)優(yōu)方式，可能最終會因為搜索空間過大導(dǎo)致搜索效率低下和搜索策略不佳的結(jié)果。
針對Cube算子，AOE以Schedule模板為基礎(chǔ)，利用GA遺傳算法（Genetic Algorithm），通過選擇、交叉、變異等方式對影響最大的Schedule原語參數(shù)進行多輪調(diào)優(yōu)，從而得到候選Tiling集，再根據(jù)在真實環(huán)境編譯執(zhí)行的性能反饋數(shù)據(jù)將候選策略進行排序，得到最優(yōu)策略。
以卷積算子為例，若人工調(diào)優(yōu)，需要消耗一個算子優(yōu)化專家兩天的時間；若使用AOE智能調(diào)優(yōu)，平均僅需3分鐘即可達到相同甚至更優(yōu)的性能優(yōu)化效果，極大的節(jié)省了人力成本！
子圖調(diào)優(yōu)，獲得更智能的數(shù)據(jù)切分
算子調(diào)優(yōu)已經(jīng)使得網(wǎng)絡(luò)性能有了可觀的提升，但AOE并沒有止步于此。AOE在更宏觀的粒度上加入了子圖調(diào)優(yōu)，從而實現(xiàn)更智能的數(shù)據(jù)切分。
深度學(xué)習(xí)模型的計算往往有較大的數(shù)據(jù)吞吐，數(shù)據(jù)讀寫往往成為網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸，因此對于高速緩存利用率的提升成為計算效率優(yōu)化的關(guān)鍵手段。
昇騰AI處理器中包含了高速緩存以降低外部訪存的帶寬壓力，然而由于特征圖（Feature Map）和模型參數(shù)的數(shù)據(jù)量巨大，會導(dǎo)致算子計算過程中的Cache命中率較低，影響整網(wǎng)計算效率。為了更好的提升高速緩存Cache命中率，AOE引入了子圖調(diào)優(yōu)的概念。
子圖調(diào)優(yōu)，基于算子切分數(shù)學(xué)等價原則，根據(jù)硬件Cache大小、算子shape等信息，將網(wǎng)絡(luò)模型中的算子切分成多個算子，然后編排切分后算子的執(zhí)行順序，通過獲取最佳的性能反饋，確定計算圖切分策略和執(zhí)行順序。這樣，就可以將一次性的數(shù)據(jù)流計算分解成多次進行執(zhí)行，在分解后的數(shù)據(jù)流分支上，數(shù)據(jù)大小相比之前成倍遞減，進而實現(xiàn)了Cache命中率的顯著提升。
最終，在算子調(diào)優(yōu)和子圖調(diào)優(yōu)的共同作用下，使用AOE進行性能調(diào)優(yōu)后，主流推理網(wǎng)絡(luò)的平均性能提升30%以上。以ResNet50推理網(wǎng)絡(luò)為例，性能較調(diào)優(yōu)前提升超過100%，整網(wǎng)調(diào)優(yōu)耗時30分鐘以內(nèi)。
梯度調(diào)優(yōu)，提升集群訓(xùn)練性能
大規(guī)模集群訓(xùn)練場景中，存在著計算節(jié)點多、梯度聚合過程復(fù)雜、通信開銷大的痛點。梯度聚合過程和計算過程怎么更好的一定程度上相互掩蓋，讓整個過程保證較好的線性度，也是性能提升的關(guān)鍵問題。為此，AOE引入了梯度調(diào)優(yōu)的功能，通過智能梯度切分算法，自動搜索出最優(yōu)梯度參數(shù)切分方式，為梯度傳輸選擇合適的通信時機和通信量，最大限度讓計算和通信并行，從而將通信拖尾時間降至最低，促使集群訓(xùn)練達到最優(yōu)性能。
相對人工調(diào)整梯度聚合數(shù)據(jù)量，自動梯度調(diào)優(yōu)可以將梯度聚合數(shù)據(jù)量調(diào)參時間從數(shù)人天縮短至數(shù)十分鐘，一舉獲得最優(yōu)聚合策略，降低人工調(diào)參的不確定性。AOE通過調(diào)優(yōu)知識庫記錄模型調(diào)優(yōu)經(jīng)驗，使得模型聚合策略能夠動態(tài)適應(yīng)不同集群規(guī)模。
經(jīng)過AOE調(diào)優(yōu)后，主流訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)在昇騰AI處理器上執(zhí)行性能較調(diào)優(yōu)前平均提升了20%以上。以ResNet50訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)為例，性能較調(diào)優(yōu)前提升了23%，整網(wǎng)調(diào)優(yōu)耗時2H以內(nèi)。
寫在最后
昇騰異構(gòu)計算架構(gòu)CANN始終致力于提供“開放易用、極致性能”的AI開發(fā)體驗，不斷降低AI開發(fā)的門檻與成本。CANN提供的昇騰調(diào)優(yōu)引擎AOE克服了傳統(tǒng)調(diào)優(yōu)方法耗時長、泛化性差、維護成本高等影響開發(fā)效率和可用性的弊端，為AI開發(fā)者提供了更智能化的性能優(yōu)化手段。
以夢為馬，未來可期，相信通過CANN的持續(xù)創(chuàng)新與不斷演進，定將進一步釋放AI硬件的澎湃算力，加速AI應(yīng)用場景落地，共建智慧世界。
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