【模型推理加速系列】06: 基于resnet18加速方案评测

简介

花雪随风不厌看，更多还肯失林峦。愁人正在书窗下，一片飞来一片寒。小伙伴们好，我是微信公众号小窗幽记机器学习的首席称重师：卖麻辣烫的小男孩。今天这篇文章以resnet18模型为例，对比Pytorch、ONNX、TorchScript、TensorRT模型格式在不同硬件(包括CPU和GPU)上的inference性能。由于此前TorchScript模型在 AMD CPU上的评测结果是负向效果(远慢于Pytorch)，具体可以参考此前的推文模型推理加速系列｜04：BERT模型推理加速 TorchScript vs. ONNX的推理速度评测部分，因此本次实验涉及CPU评测部分改用Intel CPU。

本文也同步发布于微信公众号：模型推理加速系列 ｜ 06: 基于resnet18加速方案评测。

更多、更新文章欢迎关注微信公众号：小窗幽记机器学习。后续会持续输出模型推理加速和工程部署相关系列，敬请期待～

老惯例，下图是算法生成的图片，仅供欣赏～

本次实验所用硬件信息如下：

CPU：

10  Intel(R) Xeon(R) Platinum 8255C CPU @ 2.50GHz

GPU：

Nvidia T4 和 Nvidia 3090 都是单卡

模型导出

导出TorchScript

关于如何导出TorchScript模型格式及其TorchScript模型格式的进一步介绍可以参考此前的文章：模型推理加速系列｜04：BERT模型推理加速 TorchScript vs. ONNX
和 模型推理加速系列｜05：TorchScript模型格式简介及其使用。本文将 resnet18 导出TorchScript格式及其Python版inference的评测代码如下：

#!/usr/bin/env python
# -*- encoding: utf-8 -*-
'''
@File    :   check_jit.py
@Time    :   2022/11/25 20:31:12
@Author  :   卖麻辣烫的小男孩
@Desc    :   
'''
import os
os.environ['TORCH_HOME']='/data/model_zoo/cv'
"""
默认情况下环境变量TORCH_HOME的值为~/.cache
"""

import torch
import torchvision
import pdb
import time
from tqdm import tqdm
import numpy as np


def convert_resnet18_torchscript():
    """
    将 resnet18 转为 TorchScript 模型格式
    """
    # An instance of your model.
    model = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)

    # Switch the model to eval model
    model.eval()

    # An example input you would normally provide to your model's forward() method.
    example = torch.rand(1, 3, 224, 224)

    # Use torch.jit.trace to generate a torch.jit.ScriptModule via tracing.
    trace_model = torch.jit.trace(model, example) # torch.jit.ScriptModule

    raw_output = model(example)
    trace_model_output = trace_model(example)
    np.testing.assert_allclose(raw_output.detach().numpy(), trace_model_output.detach().numpy())
    # Save the TorchScript model
    trace_model.save("/data/model_zoo/cv/resnet18_traced_model.pt")


    # Use torch.jit.trace to generate a torch.jit.ScriptModule via script.
    script_model = torch.jit.script(model)
    script_model_output = script_model(example)
    np.testing.assert_allclose(raw_output.detach().numpy(), script_model_output.detach().numpy())
    # Save the TorchScript model
    script_model.save("/data/model_zoo/cv/resnet18_script_model.pt")

导出 ONNX

关于如何导出ONNX模型格式可以参考之前的文章：模型推理加速系列｜04：BERT模型推理加速 TorchScript vs. ONNX。

导出ONNX模型

本次实验将resnet18导出为ONNX模型格式的代码如下：

import torch

MODEL_ONNX_PATH = "/data/model_zoo/cv/resnet18.onnx"
OPERATOR_EXPORT_TYPE = torch._C._onnx.OperatorExportTypes.ONNX
model = torchvision.models.resnet18(pretrained=True)
model.eval()
org_dummy_input = torch.rand(1, 3, 224, 224)
torch.onnx.export(model,
                org_dummy_input,
                MODEL_ONNX_PATH,
                verbose=True,
                operator_export_type=OPERATOR_EXPORT_TYPE,
                opset_version=12,
                input_names=['inputs'],
                output_names=['outputs'],
                do_constant_folding=True,
                dynamic_axes={"inputs": {0: "batch_size"}, "outputs": {0: "batch_size"}}
                )

ONNX模型可视化

利用 netron 对导出的ONNX模型进行可视化：

netron  /data/model_zoo/cv/resnet18.onnx -p 8001 --host "0.0.0.0"

可视化结果如下：

导出TensorRT

使用如下命令将 ONNX 格式模型转为 TensorRT 模型格式：

CUDA_VISIBLE_DEVICES=0 trtexec --onnx=model_repo/resnet18.onnx  --minShapes=inputs:1x3x224x224 --optShapes=inputs:64x3x224x224 --maxShapes=input_ids:256x3x224x224 --saveEngine=model_repo/model.plan --workspace=20480

更多关于如何导出TensorRT模型格式的细节，敬请期待后续系列。

C++上做模型inference

由于导出的 TorchScript 模型能够在C++上运行，本文进一步在C++上进行评测。

编译和运行

官方发布的LibTorch所有版本都是已经编译好的，解压后就可以使用。在Linux上提供了两种类型的libtorch二进制文件：一种是用GCC pre-cx11 ABI编译的，另一种是用GCC-cx11 ABI编译的，应该根据系统使用的GCC ABI进行选择。

CMakeList.txt 内容如下：

cmake_minimum_required(VERSION 3.0 FATAL_ERROR)

project(example-app)

find_package(Torch REQUIRED)
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} ${TORCH_CXX_FLAGS}")

add_executable(example-app example-app.cpp)
target_link_libraries(example-app "${TORCH_LIBRARIES}")
set_property(TARGET example-app PROPERTY CXX_STANDARD 14)

cmake 编译：

cmake -DCMAKE_PREFIX_PATH=/opt/conda/lib/python3.8/site-packages/torch/share/cmake/ ..
cmake --build . --config Release

运行程序：

./example-app /home/model_zoo/cv/resnet18_traced_model.pt gpu 1

功能测试

以torch::ones({1, 3, 224, 224}作为输入，测试结果如下。

Python版在 GPU 上 inference的输出结果：

(Pdb) outputs[0,:5]
tensor([-0.0375,  0.1146, -1.7963, -1.2334, -0.8193], device='cuda:0',
       grad_fn=)

C++版在 CPU 上inference的输出结果：

-0.0391  0.1145 -1.7968 -1.2343 -0.8190
[ CPUFloatType{1,5} ]

C++版 在 GPU 上inference的输出结果：

-0.0375  0.1146 -1.7963 -1.2334 -0.8193
[ CUDAFloatType{1,5} ]

评测结果

以下综合评测了resnet18在原生Pytorch模型格式、ONNX、TorchScript(Python版和C++版)和TensorRT模型格式的inference性能。具体评测结果如下表所示(单位ms)：

CPU 版

batch-size	Pytorch	ONNX	JIT-trace	JIT-trace(C++)
1	16.7	7	14.4	14.3
8	76.2	50.2	71.3	70.0
16	146.8	99.9	139.6	140.6
32	277.6	194.3	274	269.9

NVIDIA T4 GPU 评测结果：

batch-size	Pytorch	ONNX	JIT-trace	JIT-trace(C++)	TensorRT
1	4.2	4.1	4.2	4.2	3.9
2	5.5	5.8	5.5	5.5	5.2
4	9.5	8.3	9.5	9.5	8.4
8	17.6	16.8	17.6	17.6	15.3
16	28.5	26.2	28.6	28.6	25.2
32	52	51.1	52.1	52	50.7
64	100.3	96.2	100.3	100.2	92.6
128	显存不足	198.6	显存不足	200	174.8

NVIDIA 3090 GPU 评测结果：

batch-size	Pytorch	ONNX	JIT-trace	JIT-trace(C++)	TensorRT
1	2.6	1.4	1.9	1.9	0.9
2	2.7	1.5	1.9	2	1.1
4	2.7	1.9	1.9	2	1.5
8	2.7	2.7	2.3	2.3	2.4
16	4.3	4.4	4.2	4.15	4.2
32	7.6	7.8	7.5	7.5	7.3
64	14.1	13.8	13.9	14	12.7
128	26.5	27.7	26.3	26.6	24

小结

本文基于resnet18模型在CPU和GPU上评测原生Pytorch模型格式、ONNX、TorchScript(Python版和C++版)和TensorRT模型格式的inference性能。根据上述评测结果可以得出以下初步结论：

1. Intel CPU 上，ONNX的推理速度最快。

2. 图片场景下(尺寸固定，只是batch size可变)如果使用GPU，TensorRT推理速度最快

3. 小 batch size加速明显，随着batch size的增加，耗时近乎上线性增加，即提速收益不再增加

4. 随着batch size的增加，各个方案的inference性能接近，没有显著差异。

5. 相同模型格式以不同编程语言在GPU上做推理，纯GPU inference部分耗时一样。不同语言在GPU上inference的差异仅仅在于把数据放在GPU上的API不同，最终是同一硬件GPU对同一模型进行inference，所需要的算力是一样的。

6. C++中显存利用率更高