全文翻译（三） TVM An Automated End-to-End Optimizing Compiler

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5. 自动化优化
考虑到一组丰富的调度原语，剩下的问题是为DL模型的每一层，找到最佳的算子实现。在这里，TVM为与每个层关联的特定输入shape和布局，创建一个专门的算子。这种专门化提供了显著的性能优势（与针对较小shape和布局多样性的手工代码相比），但也带来了自动化挑战。系统需要选择调度优化，如修改循环排序或优化内存层次结构，以及调度特定参数，如平铺大小和循环展开系数。
这样的组合选择为每个硬件后端的算子实现，构建了一个巨大的搜索空间。为了应对这一挑战，构建了一个自动化的进度优化器，有两个主要组件：一个是提出有前途的新配置的调度管理器，另一个是预测给定配置性能的机器学习成本模型。本节描述了这些组件和TVM的自动优化流程（图11）。

5.1调度空间规格

构建了一个调度模板规范API，让开发人员在调度空间中声明knobs。模板规范允许在指定可能的调度时，根据需要结合开发人员的领域特定知识。还为每个硬件后端，创建了一个通用主模板，该模板根据使用张量表达式语言表示的计算描述，自动提取可能的knobs。在高层次上，希望考虑尽可能多的配置，让优化器管理选择负载。因此，优化器必须搜索数十亿种可能的配置，查找实验中使用的真实世界DL工作负载。
5.2 基于ML的成本模型
从大型配置空间中，通过黑盒优化，即自动调整，找到最佳调度的一种方法。此方法用于调整高性能计算库。然而，自动调整需要许多实验，确定良好的配置。

Figure 11: Overview of automated optimization framework. A schedule explorer examines the schedule space using an ML-based cost model and chooses experiments to run on a distributed device cluster via RPC. To improve its predictive power, the ML model is updated periodically using collected data recorded in a database.
另一种方法是建立一个预定义的成本模型，指导对特定硬件后端的搜索，不是运行所有的可能性，测量性能。理想情况下，一个完美的成本模型，会考虑影响性能的所有因素：内存访问模式，数据重用，管道依赖性和线程连接模式等。不幸的是，由于现代硬件越来越复杂，这种方法很麻烦。此外，每个新的硬件目标，都需要一个新的（预定义的）成本模型。

Table 1: Comparison of automation methods. Model bias refers to inaccuracy due to modeling.
相反，采用统计方法，解决成本建模问题。在这种方法中，调度资源管理器提出的配置，可能会提高算子的性能。对于每个调度配置，使用一个ML模型，该模型将降低的循环程序作为输入，预测在给定硬件后端上的运行时间。该模型使用搜索期间收集的运行时，测量数据进行训练，不需要用户输入详细的硬件信息。在优化过程中，随着探索更多配置，会定期更新模型，提高准确性。
对于其它相关的工作负载也是如此。通过这种方式，ML模型的质量随着更多的实验提高。表1总结了自动化方法之间的主要差异。基于ML的成本模型，在自动调整和预定义的成本建模间，取得了平衡，可以从相关工作负载的历史性能数据中获益。
机器学习模型设计选择。必须考虑两个关键因素，选择调度管理器，将使用的ML模型：质量和速度。

Figure 12: Comparison of different automation methods for a conv2d operator in ResNet-18 on TITAN X. The ML-based model starts with no training data and uses
the collected data to improve itself. The Y-axis is the speedup relative to cuDNN. We observe a similar trend for other workloads.

Figure 13: Example workflflow of ML cost models. XGBoost predicts costs based on loop program features. TreeRNN directly summarizes the AST.
schedule explorer经常查询成本模型，由于模型预测时间和模型重新安装时间产生开销。为了发挥作用，这些开销必须小于在实际硬件上，测量性能所需的时间，根据具体的工作负载/硬件目标，实际硬件上的性能可以达到秒级。这种速度要求将问题与传统的超参数调优问题区分，在超参数调优问题中，执行测量的成本，相对于模型开销非常高，可以使用更昂贵的模型。除了选择模型外，需要选择一个目标函数训练模型，如配置的预测运行时间中的误差。

由于资源管理器，仅根据预测的相对顺序（A的运行速度比B快），选择排名靠前的候选对象，因此不需要直接预测绝对执行时间。相反，使用排名目标，预测运行时成本的相对顺序。
在ML Optimizer中实现了几种类型的模型。采用了一个梯度树推进模型（基于XGBoost），该模型根据从循环程序中提取的特征进行预测；这些特性包括每个循环级别上，每个内存缓冲区的内存访问计数和重用率，以及循环注释的一次热编码，如“矢量化”，“展开”和“并行”。评估了一个神经网络模型，该模型使用TreeRNN，在无需特性工程的情况下，评测循环程序的AST。图13总结了成本模型的工作流程。发现treeboosting和TreeRNN具有相似的预测质量。然而，前者的预测速度是后者的两倍，训练时间也少得多。因此，在实验中选择了梯度树推进作为默认的成本模型。尽管如此，相信这两种方法都是有价值的，期望今后对这个问题进行更多的研究。

平均而言，树推进模型的预测时间为0.67毫秒，比实际测量快数千倍。图12比较了基于ML的优化器和blackbox自动调优方法；前者发现更好的配置比后者快得多。
5.3进度计划
一旦选择了一个成本模型，就可以选择有希望的配置，在这些配置上迭代地运行真正的度量。在每次迭代中，浏览器使用ML模型的预测，选择一批候选对象，在这些候选对象上运行度量。然后将收集的数据，用作更新模型的训练数据。如果不存在初始训练数据，资源管理器会随机挑选候选对象进行测量。
最简单的探索算法，通过成本模型枚举，运行每个配置，选择前k名预测执行者。然而，这种策略在较大的搜索空间中，变得难以处理。

相反，运行了一个并行模拟退火算法。资源管理器从随机配置开始，在每一步中，都会随机转到附近的配置。如果成本模型预测的成本降低，转换是成功的。如果目标配置成本较高，可能会失败（拒绝）。随机游动倾向于收敛于具有较低速度的配置成本模型预测的成本。搜索状态在成本模型更新期间持续存在；从这些更新之后的最后一个配置继续。

5.4分布式设备池和RPC

分布式设备池可扩展硬件测试的运行，在多个优化作业之间，实现细粒度资源共享。TVM实现了一个定制的，基于RPC的分布式设备池，使客户端能够在特定类型的设备上运行程序。可以使用此接口，在主机编译器上编译程序，请求远程设备，远程运行函数，在主机上访问相同脚本中的结果。TVM的RPC支持动态上载，使用运行时约定运行交叉编译的模块和函数。因此，相同的基础结构，可以执行单个工作负载优化和端到端图Inference。这种方法自动化了跨多个设备的编译，运行和配置步骤。

Table 2: Confifigurations of all conv2d operators in ResNet-18 and all depthwise conv2d operators in MobileNet used in the single kernel experiments. H/W denotes height and width, IC input channels, OC output channels, K kernel size, and S stride size. All ops use “SAME” padding. All depthwise conv2d operations have channel multipliers of 1.
这种基础架构对于嵌入式设备尤其重要，因为传统上，嵌入式设备需要进行繁琐的手动交叉编译，代码部署和测量。
6.评价
TVM核心是用C++实现的（∼50k LoC）。提供Python和Java的语言绑定。本文前面的部分评估了TVM的几个独立优化和组件的影响，即，图4中的算子融合，图10中的延迟隐藏，以及图12中基于ML的成本模型。
现在重点关注端到端评估，旨在回答以下问题：
•TVM能否在多个平台上优化DL工作负载？
•TVM与每个后端上现有的DL frame works（依赖高度优化的库）相比如何？
•TVM能否支持新出现的DL工作负载（例如，深度卷积，低精度算子）？
•TVM能否支持优化新的专用加速器？
为了回答这些问题，在四种平台上评估了TVM：
（1）服务器级GPU
（2）嵌入式GPU
（3）嵌入式CPU
（4）在低功耗FPGA SoC上实现的DL加速计。

Figure 14: GPU end-to-end evaluation for TVM, MXNet, Tensorflflow, and Tensorflflow XLA. Tested on the NVIDIA Titan X.

基准测试基于现实世界的DL推理工作负载，包括ResNet，MobileNet，LSTM语言模型，深度Q网络（DQN）和深度卷积生成对抗网络（DCGAN）。将方法与现有的DL框架进行比较，包括MxNet和TensorFlow，依赖于高度工程化的，特定于供应商的库。TVM执行端到端的自动优化和代码生成，无需外部算子库。
6.1 服务器级GPU评估
首先比较端到端的深度神经网络TVM，MXNet（V1.1），Tensorflow（V1.7）和Tensorflow XLA的NVIDIA TITIX。MXNet和Tensorflow都使用cuDNN v7作为卷积算子；实现了版本的深度卷积，因为相对较新，还没有得到最新库的支持。还使用cuBLAS v8进行矩阵乘法。另一方面，Tensorflow XLA使用JIT编译。

Figure 15: Relative speedup of all conv2d operators in ResNet-18 and all depthwise conv2d operators in MobileNet. Tested on a TITAN X. See Table 2 for operator confifigurations. We also include a weight pretransformed Winograd for 3x3 conv2d (TVM PT).

图14显示，TVM优于基线，由于联合图优化和生成高性能融合算子的自动优化器，其加速比从1.6×到3.8×不等。DQN的3.8倍加速是由于其使用了未经cuDNN优化的非常规算子（4×4 conv2d，步长=2）；ResNet工作负载更为传统。TVM会在这两种情况下自动找到优化的。

Figure 16: ARM A53 end-to-end evaluation of TVM and TFLite.
为了评估算子级优化的有效性，还对ResNet和MobileNet中的每个张量算子，进行了细分比较，如图15所示。将TensorComprehension（TC，commit:ef644ba）作为一个额外的基线，是最近引入的自动调优框架。2 TC结果包括在10代×100群体×每个算子2个随机种子中发现的最佳seeds（即每个算子2000次试验）。二维卷积是最重要的DL算子之一，cuDNN进行了大量优化。然而，TVM仍然可以为大多数层，生成更好的GPU内核。深度卷积是一种结构简单的新算子。
在这种情况下，TVM和TC都可以找到比MXNet手工制作的内核更快的内核。TVM的改进主要归功于，对大调度空间的探索和有效的基于ML的搜索算法。
6.2嵌入式CPU评估
在ARM Cortex A53（四核1.2GHz）上，评估了TVM的性能。使用Tensorflow Lite（TFLite，commit:7558b085）作为基线系统。

Figure 17: Relative speedup of all conv2d operators in ResNet-18 and all depthwise conv2d operators in mobilenet. Tested on ARM A53. See Table 2 for the configurations of these operators.

图17将TVM算子与ResNet和MobileNet的手工优化算子进行了比较。TVM生成的算子，在两种神经网络工作负载方面，都优于手动优化的TFLite版本。该结果还证明了TVM能够快速优化新兴的张量算子，如深度卷积算子。最后，图16显示了三种工作负载的端到端比较，TVM优于TFLite基线。
3个超低精度算子，通过为小于8位的定点数据类型，生成高度优化的算子，展示了TVM支持超低精度推理的能力。低精度网络用矢量化位串行乘法，代替昂贵的乘法，矢量化位串行乘法，由按位和pop计数减少组成。实现高效的低精度推理，需要将量化数据类型打包为更广泛的标准数据类型，如int8或int32。
TVM系统生成的代码性能优于Caffe2的手动优化库。实现了一个特定于ARM的tensorization内核，利用ARM指令构建一个高效，低精度的矩阵向量微内核。然后，使用TVM的自动优化器，搜索调度空间。

Figure 18: Relative speedup of single- and multithreaded low-precision conv2d operators in ResNet. Baseline was a single-threaded, hand-optimized implementation from Caffe2 (commit: 39e07f7). C5, C3 are 1x1 convolutions that have less compute intensity, resulting in less speedup by multi-threading.

图18将TVM与ResNet上的Caffe2超低精度库进行了比较，用于2位激活，1位权重推理。由于基线是单线程的，还将与单线程TVM版本进行比较。

单线程TVM优于基线，尤其是C5，C8和C11层；这些是内核大小为1×1，步长为2的卷积层，超低精度基线库未对此进行优化。此外，还利用额外的TVM功能，生成一个并行库实现，该实现显示出比基线更好的性能。除了2位+1位配置，TVM可以生成优化基线库不支持的其它精度配置，提高灵活性。

参考文献：
TVM An Automated End-to-End Optimizing Compiler

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