概念原理【免费下载链接】geGEGraph Engine是面向昇腾的图编译器和执行器提供了计算图优化、多流并行、内存复用和模型下沉等技术手段加速模型执行效率减少模型内存占用。 GE 提供对 PyTorch、TensorFlow 前端的友好接入能力并同时支持 onnx、pb 等主流模型格式的解析与编译。项目地址: https://gitcode.com/cann/geTensor/Node/GraphAscend IRAscend Intermediate Representation昇腾中间表示是AI处理器专用的抽象数据结构用于表达计算流程。基于GE图引擎能力PyTorch、TensorFlow、MindSpore、PaddlePaddle等主流AI框架的算法模型可以统一转换为使用Ascend IR表示的计算图同时也支持用户自定义构建计算图后续的编译加速优化均基于该计算图完成。图 1使用Ascend IR表示的计算图 Ascend IR主要包括张量Tensor、NodeOperator、Graph三个维度的信息。Tensor包括Tensor描述及数据两部分Tensor描述包括了该Tensor的name、dtype、shape、format信息。表 1TensorDesc属性说明|属性|定义| |--|--| |名称name|用于对Tensor进行索引不同Tensor的name需要保持唯一。| |形状shape|Tensor的形状例如(10, )或者(1024, 1024)或者(2, 3, 4)等。如形状(3, 4)表示第一维有3个元素第二维有4个元素(3, 4)表示一个3行4列的矩阵数组。形式(i1, i2, …, in)其中i1到in均为正整数。| |数据类型dtype|Tensor对象的数据类型。取值范围float16, float32, int8, int16, int32, uint8, uint16, bfloat16, bool等。| |数据排布格式format|数据的物理排布格式详细请参见数据排布格式。|NodeNodeOperator包括算子的name、type、输入、输出、属性等信息。表 2Operator属性说明|属性|定义| |--|--| |名称name|算子的名称用于标识图中的某个算子同一图中算子的名称需要保持唯一。如图2所示Conv1、Pool1、Conv2都是图中的算子名称其中Conv1与Conv2算子的类型为Convolution表示分别做一次卷积运算。| |类型type|图中每一个算子根据算子类型进行实现的匹配相同类型的算子的实现逻辑相同。在一个图中同一类型的算子可能存在多个例如上图中的Conv1算子与Conv2算子的类型都为Convolution。| |输入input|算子的输入Tensor数据。| |输出output|算子的输出Tensor数据。| |属性Attributes|定义算子行为和功能常见的算子属性包括轴Axis、权重Weight、偏差Bias。|图 2算子名称表示的计算图 GraphGraph包括name、算子列表、输入算子、输出算子等信息。表 3Graph属性说明|属性|定义| |--|--| |名称name|图的名称用于标识网络中的某个Graph同一网络中Graph的名称需要保持唯一。| |算子列表|图中所有的节点列表。| |输入算子input|图的输入算子。| |输出算子output|图的输出算子。|GE的工作原理图构建GE提供了两种构图方式onnx/pb等模型图构建用户通过ATC命令行工具或者C语言的Parser接口通过前端框架算子逐一映射成CANN算子从而将框架模型文件如*.onnx和*.pb等格式解析成Ascend IR表示的计算图。图 1Parser解析计算图 ATC命令行工具详细说明请参见《ATC离线模型编译工具》。使用Parser接口构建图请参见使用Parser接口将原始模型解析为Graph。使用图引擎接口全新构建Graph用户通过图引擎接口将计算函数算子进行组合构建成Ascend IR表示的计算图。下图展示了图构建的基本过程详细过程可参考使用图引擎接口全新构建Graph。图 2全新构建计算图 图编译与图优化对于Ascend IR表示的计算图GE适配底层硬件运行要求进行一系列的编译优化、编译生成om格式的离线模型主要过程包括图准备根据算子的输入张量信息、算子逻辑及算子属性等信息提前推理出算子的输出张量描述包括张量的形状、数据类型及数据排布格式等信息算子构图准备阶段就可以为所有的张量静态分配内存避免动态内存分配带来的开销此过程通常称之为inferShapeAndType、inferFormat。同时进行与硬件无关的、算法层级的优化包括但不限于常量折叠、冗余分支消除等。图拆分根据执行引擎AI Core/AI CPU等对算子分类拆分形成不同的子图方便后续在不同的硬件上进行针对性优化。图优化通过算子融合等图优化手段提升图的执行性能。可以进行和硬件无关的优化比如将多个算子融合成1个或几个算子节省计算时间或者进行与硬件相关的优化比如通过UB融合缩短数据在硬件内存上的搬运时间从而提升执行效率。Ascend 950PR/Ascend 950DT不支持UB融合。图编译根据计算图分配运行资源包括内存分配、stream资源分配等并编译生成.om离线模型。图加载与图执行加载编译生成的离线模型文件完成真实运行资源分配并将stream/task下发到Device上执行主要过程包括图加载解析离线模型分配真实的内存、创建stream运行资源。图执行拷贝输入数据将stream/task下发到Device由AI Core/AI CPU等执行对应的算子Device计算完成后返回给Host用户程序。模型下沉调度特性简介在AI模型运行中通常需要CPU和AI专用处理器如NPU又称AI处理器协同工作。CPU所在位置称为主机端Host而NPU所在位置称为设备端Device。主机端擅长处理复杂的逻辑计算而设备端擅长进行高并行计算。通过高效的计算调度机制实现Host和Device之间的高效协同是提高AI模型性能的关键能够显著提升异构系统资源的利用率。Host CPU将模型中的算子依次下发到Device执行如下图中的标号①所示每一个算子在执行流上以1个或多个Task的形式存在昇腾AI处理器依次拉取执行流上的Task执行。这种Host调度带来的问题是需要Host和Device频繁交互在实际的训练或推理场景中模型会运行多次每次运行都会触发Host把模型上的所有算子遍历下发一遍。图 1Host调度示意图 对于输入tensor shape固定不变的静态shape的模型在编译时即可确定所有算子的输入输出shape结合昇腾内存复用算法可完成模型级内存编排静态shape模型在编译时还可提前完成所有算子的Tiling计算等Host侧计算。因此GE提供了静态图下沉调度模式让模型中的算子在加载阶段提前以整图的形式下发到Device上在执行时只需在Host侧下发一个模型执行的Task即可触发模型在Device上调度执行。相比于Host调度模式下沉调度模式可大大降低Host侧调度开销有效减少Host和Device之间的交互。图 2静态图下沉调度示意图 实现原理模型下沉调度分为两个阶段模型加载和模型执行。模型加载模型加载的具体动作和Host调度类似即遍历图中的所有算子并将其整体下发至Device流上区别在于下发到流上不立即执行。模型加载是一次性的动作在首次模型执行时完成模型加载如上图中的过程1所示。模型执行模型加载完成之后可以像下发单算子Task一样向执行流下发一个模型执行Task昇腾AI处理器调度到该Task时如上图 “执行流”中的E执行模型中所有Task如上图中的过程3。如果需要多次运行模型仅需多次下发模型执行Task如上图中的过程2所示。Host Bound调度和模型下沉调度的时序比较如下图所示可以看出模型下沉执行的开始有一个模型下发的头开销模型下沉执行E2E会有一个相对于Host调度的收益模型的下沉头开销越小性能提升幅度将越大。模型下沉调度Host/Device时序分析如下所示每次模型下发时支持更新模型的Feature Map内存地址和输入输出内存地址。如果模型的Feature Map内存和模型输入输出内存发生了更新则在模型下沉头开销即上图中的m_l_t中会完成模型内算子相关地址的刷新。【免费下载链接】geGEGraph Engine是面向昇腾的图编译器和执行器提供了计算图优化、多流并行、内存复用和模型下沉等技术手段加速模型执行效率减少模型内存占用。 GE 提供对 PyTorch、TensorFlow 前端的友好接入能力并同时支持 onnx、pb 等主流模型格式的解析与编译。项目地址: https://gitcode.com/cann/ge创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考