以 Animated Drawings APP 为例，用 TorchServe 进行模型调优
内容导读 上节介绍了 TorchServe 模型部署调优的 5 个步骤，将模型部署到生产环境中。本节以 Animated Drawings APP 为例，实际演示 TorchServe 的模型优化效果。 本文首发自微信公众号：PyTorch 开发者社区
去年，Meta 凭借 Animated Drawings 应用程序，用 AI 让儿童手工画「动」了起来，静态简笔画秒变动画~
Animated Drawings 制作流程
Animated Drawings 动态效果
Demo 传送门
这对于 AI 来说并不简单。AI 的设计初衷是为了处理真实世界中的图像，儿童绘画与真实图像相比，形态和风格迥异，更具有复杂性及不可预测性，因此先前的 AI 系统可能并不适用于处理 Animated Drawings 类似的任务。
本文将以 Animated Drawings 为例，详细讲解如何借助 TorchServe，对即将部署到生产环境中的模型进行调优。
4 大因素影响生产环境中的模型调优
下面的工作流程展示用 TorchServe 在生产环境中进行模型部署的总体思路。
用 TorchServe 为生产环境中的模型调优的基本流程
大多数情况下，部署模型到生产环境中是基于吞吐量 (throughput) 或延迟 (latency) 服务级别协议 (SLA) 进行优化的。
通常实时应用程序 (real-time application) 更关心延迟，而离线应用程序 (off-line application) 则更关心吞吐量。
对于部署到生产环境中的模型，影响性能的因素众多，本文重点介绍 4 个：
1. Model optimizations
这是将模型部署到生产环境的前置步骤，包括量化、剪枝、使用 IR graphs（PyTorch 中的 TorchScript）、融合内核及其他众多技术。目前，TorchPrep 中提供很多类似技术作为 CLI 工具。
更多关于 Torchprep 的相关简介
2. Batch inference
它是指将多个 input 输入到一个模型中，在训练过程中会频繁用到，对于在推理阶段控制成本也很有帮助。
硬件加速器对并行进行了优化，batching 有助于充分利用计算能力，这经常导致更高的吞吐量。推理的主要区别在于无需等待太久，就能从客户端获得一个 batch，也就是我们常说的动态批处理 (dynamic batching)。
3. Numbers of Workers
TorchServe 通过 worker 部署模型。TorchServe 中的 worker 属于 Python 进程，拥有用于推理的模型权重副本。worker 数量太少，无法从足够的并行性中受益；worker 数量太多，又会导致 worker contention 及端到端性能降低。
4. Hardware
根据模型、应用程序及延迟、吞吐量预算，从 TorchServe、CPU、GPU、AWS Inferentia 中选择一个合适的硬件。
有些硬件配置是为了获取最好的 class 性能，有些是为了更符合预期的成本管控。实验表明，batch size 较大时更适合选用 GPU；batch size 较小或要求低延迟时，选用 CPU 和 AWS Inferentia 则更具备成本优势。
Tips 分享：TorchServe 性能调优的注意事项
开始之前，我们先分享一些用 TorchServe 部署模型、获得最佳性能的 Tips。
* 学习 PyTorch 官方教程
硬件选择与模型优化选择也是紧密联系的。
* 模型部署的硬件选择，与延迟、吞吐量预期以及每次推理的成本密切相关。
由于模型大小和应用的不同， CPU 的生产环境通常无法负担类似计算机视觉模型的部署，大家可以注册使用 OpenBayes.com，注册即送 3 小时 RTX3090，每周还赠送 10 小时 RTX3090，满足一般的 GPU 需求。
此外，最近添加到 TorchServe 中的 IPEX 等优化，使得这类模型的部署成本更低、更能被 CPU 负担。
IPEX 优化模型部署详见
* TorchServe 中的 worker 属于 Python 进程，可以提供并行，应谨慎设定 worker 数量。默认情况下 TorchServe 启动的 worker 数量等于主机上的 VCPU 或可用 GPU 数量，这可能会给 TorchServe 启动增加相当长的时间。
TorchServe 公开了一个 config property 来设置 worker 的数量。为了让多个 worker 提供高效并行并避免它们竞争资源，建议在 CPU 和 GPU 上设置以下 baseline：
CPU：在 handler 中设置 torch.set _ num _ thread (1) 。然后将 workers 的数量设置成 num physical cores / 2。但最好的线程配置可以通过利用 Intel CPU launcher script 来实现。
GPU：可用 GPU 的数量可以通过 config.properties 中的 number_gpus 进行设置。TorchServe 使用循环分配 worker 到 GPU。建议：Number of worker = (Number of available GPUs) / (Number of Unique Models)。注意， pre-Ampere 的 GPU 不提供任何与 Multi Instance GPU 的资源隔离。
* Batch size 直接影响延迟和吞吐量。为了更好地利用计算资源，需要增加 batch size。在延迟和吞吐量之间存在 tradeoff；较大的 batch size 可以提高吞吐量，但也会导致较高的延迟。
TorchServe 中有两种设置 batch size 的方式，一种是通过 config.properties 中 model config 进行，另一种使用 Management API 来 registering model。
下节展示如何用 TorchServe 的 benchmark suite 来决定模型优化中硬件、worker 和 batch size 的最佳组合。
认识 TorchServe Benchmark Suite
要使用 TorchServe benchmark suite，首先需要一个 archived file，即上文提过的 .mar 文件。该文件包含模型、handler 和其他所有用来加载和运行推理的其他 artifacts。Animated Drawing APP 使用 Detectron2 的 Mask-rCNN 目标检测模型
运行 benchmark suite
TorchServe 中的 Automated benchmark suite 可以在不同 batch size 和 worker 设置下，对多个模型进行基准测试，并输出报告。
了解 Automated benchmark suite
开始运行：
git clone https://github.com/pytorch/serve.git
cd serve/benchmarks
pip install -r requirements-ab.txt
apt-get install apache2-utils在 yaml 文件中配置模型 level 设置：
Model_name:
eager_mode:
benchmark_engine: "ab"
url: "Path to .mar file"
workers:
- 1
- 4
batch_delay: 100
batch_size:
- 1
- 2
- 4
- 8
requests: 10000
concurrency: 10
input: "Path to model input"
backend_profiling: False
exec_env: "local"
processors:
- "cpu"
- "gpus": "all"
这个 yaml 文件将被 benchmark_config_template.yaml 引用。Yaml 文件中包括用于生成报告的其他设置，也可以用 AWS Cloud 查看 logs。
python benchmarks/auto_benchmark.py --input benchmark_config_template.yaml运行 benchmark，结果被保存在一个 csv 文件中，可以在 _/tmp/benchmark/ab_report.csv_ 或完整报告 /tmp/ts_benchmark/report.md 中找到。
结果包括 TorchServe 平均延迟、模型 P99 延迟 (model P99 latency)、吞吐量、并发 (concurrency)、请求数、handler time 及其他 metrics。
重点跟踪以下影响模型调优的因素：并发、模型 P99 延迟、吞吐量 。
这些数字要与 batch size、使用的设备、worker 数量以及是否做了模型优化结合起来看。
这个模型的 latency SLA 已经设置为 100 ms，这是个实时应用程序，延迟是很重要的问题，在不违反 latency SLA 的情况下，吞吐量最好尽可能高。
通过搜索空间，在不同的 batch size (1-32)、worker 数量 (1-16) 和设备 (CPU, GPU) 上运行一系列实验，总结出最好的实验结果，见下表：
这个模型在 CPU 上的延迟、batch size、并发和 worker 数量等方面进行的所尝试，都没有到 SLA，实际上延迟降低了 13 倍。
将模型部署移动到 GPU 上，可以立即将延迟从 305ms 降到 23.6ms。
可以为模型做的最简单的优化之一，就是把它的精度降低到 fp16，一行代码 (model. half ()) ，可以减少 32% 的模型 P99 延迟 ，并增加几乎相同数量的吞吐量。
模型优化方法还有将模型转化为 TorchScript 并使用 optimation_for_inference 或其他技巧（包括 onnx 或 tensort runtime optimizations）进行优化，这些优化利用了 aggressive fusions 。
在 CPU 和 GPU 上，设置 number of workers=1 对于本文的 case 效果最好。
* 将模型部署到 GPU，设置 number of workers = 1， batch size = 1，吞吐量增加 12 倍相比于 CPU 上 降低 13 倍延迟。
* 将模型部署到 GPU，设置 model.half()、number of workers = 1 、 batch size = 8，可以获得吞吐量和可承受的延迟方面的最佳结果。与 CPU 相比，吞吐量增加 25 倍，延迟仍然满足 SLA (94.4 ms)。
注意: 如果正在运行 benchmark suite，请确保设置了适当的 batch_delay，将并发性的请求设置为与 batch size 成比例的数字。这里的并发性是指发送到服务器的并发请求的数量。
总结
本文介绍了 TorchServe 在生产环境中调优模型的注意事项及性能优化方法 TorchServe benchmark suite，使用户对模型优化、硬件选择和总体成本的可能选择有了更深入的了解。
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