超轻量AI引擎MindSpore Lite
超轻量AI引擎MindSpore Lite
揭秘一下端上的AI引擎：MindSpore Lite。
MindSpore Lite是MindSpore全场景AI框架的端侧引擎，目前MindSpore Lite作为华为HMS Core机器学习服务的推理引擎底座，已为全球1000+应用提供推理引擎服务，日均调用量超过3亿，同时在各类手机、穿戴感知、智慧屏等设备的AI特性上得到了广泛应用。
MindSpore Lite 1.0.0 已经开源，开源之后，其接口易用性、算子性能与完备度、第三方模型的广泛支持等方面，得到了众多手机应用开发者的广泛认可。最新的MindSpore Lite 1.1.0 在算子性能优化、模型小型化、加速库自动裁剪工具、端侧模型训练、语音类模型支持、Java接口开放、模型可视化等方面进行了全面升级，升级后的版本更轻、更快、更易用。接下来看一下 MindSpore Lite 1.1.0 。
获取1.1.0版本MindSpore Lite：https://www.mindspore.cn/tutorial/lite/zh-CN/r1.1/use/downloads.html
1. 算子库优化与扩展
1.1 性能优化
推理性能优化依然是本次版本的重头戏，除了持续的ARM CPU(FP16/FP32/INT8)性能优化，ARM GPU和X86_64的优化也是本次的亮点，GPU方面除了传统的算子优化，还加入了在线融合、AutoTuning等技术，使得ARM GPU推理性能大幅提升；同时为了更好的支持PC侧推理，在X86_64算子方面做了大量汇编层面的优化；经过大量模型的实测，MindSpore Lite 1.1.0 在推理性能方面在业界各类框架中极具竞争力。
1.1.1 ARM CPU优化
从引入减少计算量的更优算法，到尽可能减少硬件访存从而提高指令吞吐量，MindSpore Lite 的CPU算子性能大幅提升。使用TF Hub官网上100+端侧预置模型进行了推理时延对比测试，测试结果显示在Mate30/P30等高端机型上MindSpore Lite已全面超越TFLite，在P20等中低端机型上推理性能优于TFLite的占比也达到97%。
- FP16推理性能
MindSpore Lite全面支持ARMv8.2的FP16推理，推理时延基本达到了FP32类型推理的二分之一，在推理时延大幅降低的同时精度满足业务要求；FP16推理方案已经在华为HMS MLKit和华为手机预置的各类AI服务中普遍应用。
由于TF Lite不支持FP16推理，所以在FP16推理性能对比测试环节中只选择了阿里MNN最新的1.1版本，从测试结果看MindSpore Lite在FP16推理性能上展现出一定的优势。
华为Mate30(麒麟990)上网络整体时延对比情况
华为Mate30(麒麟990)上FP16推理时延对比
三星Note20(骁龙865+)上FP16推理时延对比
- Int8量化模型推理性能
对于量化算子，当前版本MindSpore Lite实现了在算法层面加入如Convolution Kernel为3x3的Winograd优化算法（目前主要针对非ARMv8.2机型），在支持ARMv8.2的高端机上使用SDOT指令对MatMul、Fully Connection、Convolution等算子进行优化，以及提高底层缓存命中率的一系列优化策略，使得MindSpore Lite量化推理性能得到大幅提升，相较于FP16推理有40%+的性能提升。选择了TF Lite最新2.4版本和MNN最新的1.1版本进行推理性能对比测试，使用的模型为TF Hub官方预置的量化模型（测试过程中发现MNN存在大量量化模型无法转换问题，甚至TF Lite对自家模型也存在转换问题），从测试结果看MindSpore Lite对量化模型无论在支持度还是推理性能方面，都较其他框架有明显优势。
华为Mate30(麒麟990)上量化网络整体时延对比情况
ARMv8.2机型测试
三星Note20上量化模型时延对比
ARMv8机型测试
华为P20上量化模型时延对比
- FP32推理性能
同时为了确保在低端CPU上使用MindSpore Lite推理时，能够同样获得业界最优的推理性能，持续对FP32的推理性能进行了优化。在华为P20上以TFLite(2.4版本)、MNN(1.1版本)作为对比对象，进行了benchmark性能测试，从测试结果中可以看出MindSpore Lite FP32推理性能依然处理领先地位，但与其他框架的差距正在缩小。
华为P20上FP32推理时延对比
1.1.2 ARM GPU优化
MindSpore Lite 1.1.0 版本对GPU推理性能进行了重点优化，除了在算子层面进行了常规优化外，还增加了在线融合、AutoTuning、OpenCL kernel二进制cache机制等多种优化方式，使得整体性能较MindSpore Lite 1.0 有25%+的提升；
同样在华为Mate30上使用TF Hub官网100+预置模型与MNN(1.1版本)和TF(2.4版本)，进行了GPU推理性能对比测试，可以从下图的测试结果看出MindSpore Lite GPU推理性能在大部分模型上优于TF Lite，而对于MNN则优势明显。
华为Mate30上GPU FP32推理时延对比
1.1.3 X86_64 CPU优化
本次版本还对X86_64平台上的推理性能进行了大量优化工作，在Intel Core i7-8700的CPU上与Intel OpenVINO和MNN在几个经典CV类网络上进行了benchmark测试，从测试结果看MindSpore Lite性能相比于MNN和OpenVINO都有一定的优势。
Intel Core i7-8700 X86_64 CPU推理性能对比
1.1.4 更多的融合
当前MindSpore Lite版本已经基本覆盖了机器视觉领域通用的卷积相关融合pattern，同时针对基于Transformer结构的语音模型和LSTM结构的模型进行了深度融合优化，主要包括将小算子融合成Layernorm、LSTM等大算子，多个MatMul融合成BatchMatMul算子，Slice算子切分矩阵的前移融合等，使得语音类模型获得20%+的提升，后续将尝试融合pattern的自动schedule功能。
1.2 算子完备度扩展
MindSpore Lite支持包括ARM CPU、ARM GPU、X86 CPU、Kirin NPU、MTK APU在内的多种硬件平台。
1.2.1 ARM CPU
MindSpore Lite是目前端侧推理框架中CPU算子支持最丰富的框架之一，当前的模型转换工具支持TF Lite（100个）、TF(53个)、ONNX（96个）以及Caffe（26个）等第三方框架算子定义的解析，做到了高兼容性，上文性能测试中也提到过MNN对很多模型无法转换，甚至连TF Lite对自家官网预置模型的支持度也不够完善；同时MindSpore Lite实现了121个FP32，55个FP16以及71个INT8 CPU算子；而此次的1.1版本对控制流算子也进行一次大的调整与完善，以便更好的支持语音类模型。
1.2.2 ARM GPU
新增OpenCL算子10+，当前支持GPU算子总数为58，基本实现常见CV类网络覆盖；新增在线融合、Auto Tuning等特性支持，同时支持权重量化，实现8bit权重量化网络在GPU整网运行。
1.2.3 Kirin NPU
1.1版本完善了对华为麒麟NPU硬件平台的支持，增加了对Kirin 9000芯片的支持，同时新增了50+ NPU算子支持，从而实现支持大部分CV类场景在NPU上的加速执行；在华为最新的Mate 40手机上进行了几个典型网络的benchmark验证，NPU上推理时延较CPU推理有明显提升；
Mate 40上NPU和CPU FP32/16推理时延对比
2. 支持端侧训练 由于使用公共数据集训练的模型与真实用户场景存一定的偏差，比如人脸识别、语音识别等场景，往往需要利用本地数据对预训练模型进行微调，从而提高本地模型推理的精度，改善用户体验。
MindSpore Lite 1.1.0 版本将端侧训练框架进行了开源，首个版本给带来了以下特性：1. 支持30+反向算子，提供SGD、ADAM等常见优化器及CrossEntropy/SparsCrossEntropy/MSE等损失函数；既可从零训练模型，也可指定特定网络层微调，达到迁移学习目的;
2. 已支持LeNet/AlexNet/ResNet/MobileNetV1/V2/V3和EffectiveNet等网络训练，提供完整的模型加载，转换和训练脚本，方便用户使用和调测;
3. MindSpore云侧训练和端侧训练实现无缝对接，云侧模型可直接加载到端侧进行训练;
4. 支持checkpoint机制，训练过程异常中断后可快速恢复继续训练;
端侧训练框架已经在华为部分设备的AI应用比如家庭相册等场景进行了商用，并取得了很好的用户体验。
3. 训练后量化 随着AI应用在端侧设备部署越来越普遍，而受制于端侧资源的局限性，对于模型小型化和推理性能提升的挑战日益倍增。MindSpore Lite提供了简单实用的训练后量化功能，最大程度压缩模型大小，减小内存占用，提升推理速度，降低功耗。
训练后量化相较于量化重训具有两个明显优势，一是无需大量训练数据集，二是无需重新训练，离线快速转换。MindSpore
Lite训练后量化工具提供权重量化和全量化两种方法，支持1~16bit量化，支持分类，检测，NLP等多种模型。
为保障训练后量化模型精度损失小，采用pipeline组合量化方法，一阶段采用常规线性量化手段对权重和激活值进行量化，二阶段对量化误差进行分析，利用统计学方法对量化模型进行校正，补偿因量化带来的精度损失。
Pipeline 组合量化
以TF官网MobileNet_v2模型为例，MindSpore Lite训练后量化A8W8（激活值8bit量化、权重8bit量化）精度与FP32模型相比，经损失校正后，精度损失由0.82%降到0.4%，同样适用7bit量化下，精度损失仍不超过1%。
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mobilenet_v2 |
ACC (On ImageNet) |
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FP32 |
71.56% |
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A8W8 |
71.16% (TF Lite官网后量化ACC：63.7%) |
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A8W8(不做BiasCorrection) |
70.74% |
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A8W7 |
71.06% |
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A7W7 |
70.78% |
训练后全量化mobilenet_v2模型精度对比
在HMS Face场景下模型进行了INT8权重量化(模型size范围364KB~2.9MB)，实际端到端识别精度完全满足服务要求。权重量化精度损失矫正方案的相对精度误差对比如下，可以看到损失矫正方案下量化精度损失有明显降低。
Face场景模型权重量化精度损失矫正方案相对精度损失对比
经内部大量测试和实际商用交付反馈，pipeline组合量化方法效果显著，甚至小至300KB的模型，经INT8量化压缩后精度仍满足商用要求。
4. 易用性增强
4.1 加速库自动裁剪工具
为了满足部分对发布包大小有极致小型化诉求的场景，提供了一个一键式裁剪工具，该工具可以根据用户指定的模型列表，自动裁剪出足以运行列表中指定模型的最小化MindSpore Lite版本。
4.2 离线工具参数精简
对离线转换工具参数进行了精简，最大程度地提高转换工具的易用性，让开发者在转换三方模型时，无需感知三方模型的量化类型、输入输出节点名称和对应的数据类型等。
4.3 支持Java接口
1.1版本正式开放了Java接口，以方便安卓开发者更简单的使用MindSpore Lite进行应用开发。
4.4 模型可视化
为了方便开发者调试，在Netron开源社区提交了支持MindSpore Lite模型可视化的代码，现在开发者可以使用Netron工具可视化MindSpore Lite模型。相信能给开发者调试模型，尤其是一些结构复杂的模型，带来极大的方便。
