MindSpore初级教程-1.基本介绍

基本介绍

本节将会整体对华为AI全栈进行介绍，并介绍MindSpore在其中的位置，如果对MindSpore兴趣的开发者，最后可以参与MindSpore的社区并一键三连（Watch/Star/Fork）。

华为昇腾AI全栈介绍

昇腾计算，是基于昇腾系列处理器构建的全栈AI计算基础设施及应用，包括昇腾Ascend系列芯片、Altas系列硬件、CANN芯片使能、MindSpore AI框架、ModelArts、MindX应用使能等。

其中华为Atlas人工智能计算解决方案，是基于昇腾系列AI处理器，通过模块、板卡、小站、服务器、集群等丰富的产品形态，打造面向“端、边、云”的全场景AI基础设施方案，涵盖数据中心解决方案、智能边缘解决方案，覆盖深度学习领域推理和训练全流程。

昇腾AI全栈如下图所示：

下面简单介绍每个模块的作用：

• Atlas系列产品：提供AI训练、推理卡及训练服务器（了解更多）。
• CANN（异构计算架构）：芯片使能、驱动层（了解更多）。
• MindSpore（AI框架）：全场景AI框架（了解更多）。
• MindX SDK（昇腾SDK）：行业SDK和应用解决方案（了解更多）。
• ModelArts（AI开发平台）：华为云AI开发平台（了解更多）。
• Mindstudio（全流程开发工具链）：AI全流程开发IDE（了解更多）。

详细信息请点击华为昇腾官网。

MindSpore介绍

MindSpore是一个全场景深度学习框架，旨在实现易开发、高效执行、全场景覆盖三大目标，其中易开发表现为API友好、调试难度低，高效执行包括计算效率、数据预处理效率和分布式训练效率，全场景则指框架同时支持云、边缘以及端侧场景。

MindSpore总体架构如下图所示，分为前端表示层（Mind Expression，ME）、计算图引擎（Graph Engine，GE）和后端运行时三个部分。

• MindSpore Extend（扩展层）：MindSpore的扩展包，期待更多开发者来一起贡献和构建；
• MindExpress（表达层）：基于Python的前端表达，未来计划陆续提供C/C++、Java等不同的前端；MindSpore也在考虑自研编程语言前端-仓颉，目前还处于预研阶段；同时，内部也在做与Julia等第三方前端的对接工作，引入更多的第三方生态。
• MindCompiler（编译优化层）：图层的核心编译器，主要基于端云统一的MindIR实现三大功能，包括硬件无关的优化（类型推导/自动微分/表达式化简等）、硬件相关优化（自动并行、内存优化、图算融合、流水线执行等）、部署推理相关的优化（量化/剪枝等）；其中，MindAKG是MindSpore的自动算子生成编译器，目前还在持续完善中。
• MindRE（全场景运行时）：这里含云侧、端侧以及更小的IoT。

设计理念

MindSpore源于全产业的最佳实践，向数据科学家和算法工程师提供了统一的模型训练、推理和导出等接口，支持端、边、云等不同场景下的灵活部署，推动深度学习和科学计算等领域繁荣发展。

MindSpore提供了Python编程范式，用户使用Python原生控制逻辑即可构建复杂的神经网络模型，AI编程变得简单。

目前主流的深度学习框架的执行模式有两种，分别为静态图模式和动态图模式。静态图模式拥有较高的训练性能，但难以调试。动态图模式相较于静态图模式虽然易于调试，但难以高效执行。

MindSpore提供了动态图和静态图统一的编码方式，大大增加了静态图和动态图的可兼容性，用户无需开发多套代码，仅变更一行代码便可切换动态图/静态图模式，例如设置context.set_context(mode=context.PYNATIVE_MODE)切换成动态图模式，设置context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE)即可切换成静态图模式，用户可拥有更轻松的开发调试及性能体验。

神经网络模型通常基于梯度下降算法进行训练，但手动求导过程复杂，结果容易出错。MindSpore的基于源码转换（Source Code Transformation，SCT）的自动微分（Automatic Differentiation）机制采用函数式可微分编程架构，在接口层提供Python编程接口，包括控制流的表达。用户可聚焦于模型算法的数学原生表达，无需手动进行求导。

随着神经网络模型和数据集的规模不断增加，分布式并行训练成为了神经网络训练的常见做法，但分布式并行训练的策略选择和编写十分复杂，这严重制约着深度学习模型的训练效率，阻碍深度学习的发展。MindSpore统一了单机和分布式训练的编码方式，开发者无需编写复杂的分布式策略，在单机代码中添加少量代码即可实现分布式训练，例如设置context.set_auto_parallel_context(parallel_mode=ParallelMode.AUTO_PARALLEL)便可自动建立代价模型，为用户选择一种较优的并行模式，提高神经网络训练效率，大大降低了AI开发门槛，使用户能够快速实现模型思路。

层次结构

MindSpore向用户提供了3个不同层次的API，支撑用户进行网络构建、整图执行、子图执行以及单算子执行，从低到高分别为Low-Level Python API、Medium-Level Python API以及High-Level Python API。

• High-Level Python API

第一层为高阶API，其在中阶API的基础上又提供了训练推理的管理、混合精度训练、调试调优等高级接口，方便用户控制整网的执行流程和实现神经网络的训练推理及调优。例如用户使用Model接口，指定要训练的神经网络模型和相关的训练设置，对神经网络模型进行训练，通过Profiler接口调试神经网络性能。

• Medium-Level Python API

第二层为中阶API，其封装了低价API，提供网络层、优化器、损失函数等模块，用户可通过中阶API灵活构建神经网络和控制执行流程，快速实现模型算法逻辑。例如用户可调用Cell接口构建神经网络模型和计算逻辑，通过使用loss模块和Optimizer接口为神经网络模型添加损失函数和优化方式，利用dataset模块对数据进行处理以供模型的训练和推导使用。

• Low-Level Python API

第三层为低阶API，主要包括张量定义、基础算子、自动微分等模块，用户可使用低阶API轻松实现张量定义和求导计算。例如用户可通过Tensor接口自定义张量，使用ops.composite模块下的GradOperation算子计算函数在指定处的导数。

参与社区

欢迎每一个开发者都参与到MindSpore的社区里面，为全场景AI框架MindSpore添砖加瓦！

• MindSpore 官网：可以全方位了解MindSpore，包括从安装、教程、文档、社区、资源下载和资讯栏目等（了解更多）。
• MindSpore 代码：
  • MindSpore Gitee：2020年Gitee千万开源项目中Gitee指数TOP1项目，一键三连（Watch/Star/Fork）即可随时参与issues讨论、提交代码！
  • MindSpore Github：Gitee的MindSpore代码镜像，如果习惯用github的开发者可以在这里进行MindSpore的学习，查看最新代码实现！
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