TPU-MLIR

1、AI 编译器

TPU，张量处理器

AI编译器，把不同框架下的搭建起来的模型，转换为统一形式的中间表达 IR，然后通过 IR 转换成可以在特定芯片平台上运行的二进制模型

Top，芯片无关层：图优化、量化、推理

Tpu，芯片相关层，权重重排、算子切分、地址分配、推理

2、TPU-MLIR

• 算子按照顺序一一对应进行转换：onnx --> origin.mlir
• 图优化：origin.mlir --> canonical.mlir
• F32/BF16 lowering: canonical.mlir --> tpu.mlir
• 多层优化操作，权重重排，网络切分：tpu.mlir --> model.bmodel

在模型转换过程中，会在各个阶段进行模型推理，并对比结果，以确保转换的正确性，量化过程会产生偏差

3、MLIR 语法介绍

LLVM 下的子项目，自带 Tensor 类型

在深度学习中，IR 可以理解为深度学习模型的一个中间表达形式

对于越高级的 IR，就越接近源代码，提取源代码意图的难度就越低，但是针对特定硬件优化代码的的难度就越高；对于越低级的 IR，这两点相反

由于 IR 的跨度越大，转换的开销就越大，因此需要多层中间表达。从统一通用的 IR，逐步抽象为针对特定硬件的 IR，最后针对目标生成特定的二进制文件

value，type，attract，operation

基于 ODS 框架进行 OP 定义，TableGen

4、TPU-MLIR 前端转换

原模型转换为 top 模型

前端转换工作流程：

​ 前提 --> 输入 --> 初始化 converter --> 生成 MLIR 文本 --> 输出

在初始化 converter 步骤中，提取的主要信息：模型输入、输出名称，算子输出形状，算子权重等

生成 MLIR 文本：把相关信息逐一插入

5、dialect conversion

把一系列在目标 dialect 上非法的算子转换为合法算子

mlir 既支持部分转化，也支持全转换

6、lowering in TPU-MLIR

lowering，芯片无关层转换为芯片相关层

top-to-tpu 基本过程：

• top 层 OP 成分为 f32 和 int8 两种，前者可以直接转换成 f32/f16/bf16 的 tpu 算子，也可以经过校准量化，转换成 int8 的 tpu 算子；而后者则只能转换成 int8 的 tpu 算子

针对不同的芯片，需要有不同的 patterns 实现和 pass 实现

7、量化概述

量化的动机

深度学习网路部署到硬件设备难度高的原因：

• 大量权重导致内存过大
• 深度学习模型计算量庞大

解决方案：

• 高性能专用芯片（例如 TPU）
• 模型压缩（例如 量化）

量化的本质

本质：将权重与激活值，由 32 位的浮点型的范围很大的数值，映射到由低位固定点表示的小范围内（如 INT8）

为什么可以这样呢：

• 低位的运算成本更低
• 低位数据的搬移效率更高

–> 推理效率提高

量化类型：

• 训练后量化：直接对预训练过的模型进行量化操作，无需或者仅需少量的 data，易于实现
• 量化感知训练：在训练过程中模拟量化重新训练模型，需要带标签的数据，量化后更接近 F32 模型的精度

量化方案：

• 均匀量化
  • 对称量化
    • 有符号
    • 无符号
  • 非对称量化
• 量化颗粒度的考虑

量化推导

$r=S(q-Z)$

量化校准

​ min/max， KLD

量化感知训练

• 训练后量化：轻量化 + 提高效率，但是会降低精度

  • 精度下降原因：量化误差，截断误差，multiplier 和 shift 代替 scale也会有误差

• 量化感知训练优势：缓和量化造成的精度下降的问题，达成更低位的量化（INT4）

• 量化感知训练实现方式：

  • 插入 FakeQuant 算子，将 weight 和 activation 量化成低位精度再反量化回 FP32 引入量化误差

  • 量化参数

    

• 伪量化算子梯度：离散阶梯函数，不可导 --> QAT 算法

• QAT特点：

  • 优势：缓和量化造成的精度下降问题；达成更低位i的量化
  • 劣势：重训练的开销

8、精度验证

model_eval.py

预处理信息包含在 mlir 中

9、pattern rewriting

dag to dag transformation（dag，有向无环图）

• pattern definition
• pattern rewriter
• pattern application

整体逻辑：不断地去循环尝试匹配 patterns，然后 rewrite，当没有任何的 patterns 被匹配成功，或者循环的次数超过最大值的时候，就结束调用

9、TPU-MLIR 模型适配

10、TPU-MLIR 图优化

图优化是工具链的重要性能优化手段

指令发射 --> 读数据 --> 运算 --> 写数据

图优化实现：

• 算子融合，减少 指令发射、读数据、写数据等的时间
  • 算子融合实现：BN，scale 融合进 conv
    • BN 转换成 scale
    • 多个 scale 转换成一个新的 scale
    • conv 和 scale 的融合