AI框架的演進趨勢以及MindSpore的構想

轉載自：知乎
作者：金雪鋒

MindSpore在3月底開源后，一直忙于功能完善和內外部的應用推廣，現(xiàn)在終于有點時間可以停下來結合MindSpore的實踐和團隊一起總結對AI框架的一些思考，希望對大家有所幫助，也有助于大家去了解MindSpore，更加歡迎大家一起探討。

計劃開一個專欄，有一系列的文章，初步主題規(guī)劃包括：

1. AI框架的演進趨勢和MindSpore的構想
2. AI框架的圖層IR的分析
3. 動靜態(tài)圖統(tǒng)一的思考
4. 端邊云的框架如何統(tǒng)一
5. 圖算融合的設計思考
6. 自動算子生成可行嗎？
7. 如果自研一個AI編程語言，應該長什么樣？
8. 如何成為分布式并行原生的AI框架？
9. AI與科學計算怎么結合？
10. AI框架怎么使能AI責任？

…….等等

內容比較多，全部寫完要很長時間，希望自己有足夠的耐心堅持下去。

本篇是一個總體的介紹，主要是分析AI框架的發(fā)展趨勢，介紹一下MindSpore的構想

1、未來AI框架的發(fā)展趨勢是什么

AI框架的發(fā)展個人認為可以大致分為3個階段：

第一階段的代表是torch、theano以及Caffe，奠定了基于Python、自動微分、計算圖等基本設計思路。

第二階段的代表是TensorFlow、PyTorch，一個通過分布式訓練、多樣的部署能力在工業(yè)界廣泛使用，另外一個是提供動態(tài)圖能力，在靈活性上吸引了大量的研究者和算法工程師。

第三階段的方向是什么？目前看還沒有定型，我們看到Google也有多條技術路徑在探索，包括TF2.0，JAX、MLIR、Swift for TF等；有些在做動態(tài)圖和靜態(tài)圖的統(tǒng)一，有些在構建統(tǒng)一的IR基礎設施，還有些在探索新的表達方式等，總之還是百花齊放的狀態(tài)。

不管AI框架未來的發(fā)展方向是什么，AI框架的驅動力還是相對清晰，我們認為AI框架的驅動力主要是5個-“ABCDE”：

• Application+Bigdata：AI框架的Application就是AI的模型和算法，Bigdata就是AI模型需要的數(shù)據(jù)
• Chip：AI的芯片，代表AI的算法發(fā)展
• Developer：AI的算法研究者和算法工程師
• Enterprise：AI部署和AI責任

下面，我們想通過對AI框架的驅動因素的分析來討論一下AI框架的發(fā)展方向。

從應用和數(shù)據(jù)角度看AI框架的挑戰(zhàn)

• 模型和數(shù)據(jù)的規(guī)模和復雜度持續(xù)提升

今年5月，OpenAI發(fā)布GPT-3模型，千億參數(shù)量，數(shù)據(jù)集（處理前）45T，訓練一次的成本號稱接近500萬美金，超大模型不僅僅是算法和算力成本的挑戰(zhàn)，同時對AI框架的挑戰(zhàn)也是巨大，主要體現(xiàn)在三點，性能墻（內存、通信、計算利用率）、效率墻以及精度墻：

1. 性能墻：大模型下，GPU和NPU的單卡(內存一般只有32G)肯定裝不下整個模型，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)并行是不夠的，未來內存復用、混合并行（數(shù)據(jù)并行/模型并行/pipeline并行）等技術的使用將會是常態(tài)，同時，混合并行的切分策略尋優(yōu)是很困難的，不同的切分產生的通信量差異巨大，計算利用率也很不一樣，比如pipeline并行往往在計算利用率存在較大的挑戰(zhàn)，算子切分的并行在通信量的挑戰(zhàn)會很大，這些都需要AI框架來支持；最后在大規(guī)模并行訓練系統(tǒng)中，當性能要求越來越高時，數(shù)據(jù)預處理也會成為一個瓶頸，比如我們在ResNet50性能調優(yōu)時發(fā)現(xiàn)，當單Step跑到17~18ms的時候，host數(shù)據(jù)處理的時間就跟不上了。
2. 效率墻：混合并行策略如果讓算法工程師來手工確定的，這個門檻就會很高，既要懂算法，又要懂系統(tǒng)，怎么做到自動并行是關鍵。
3. 精度墻：大規(guī)模模型訓練天生就是一個大Batchsize的訓練，怎么更好的收斂，達到精度要求，都是一個大的挑戰(zhàn)。

除了上面講的三點外，超大規(guī)模的訓練還面臨其他的挑戰(zhàn)，比如大規(guī)模集群的可用性、尾部時延、動態(tài)調度等等。

• 框架的負載從單一的深度學習模型向通用的張量可微計算演進

目前主要看到三個方向：

1)DNN與傳統(tǒng)機器學習結合，比如深度概率學習、圖神經網(wǎng)絡等，這一塊基本上業(yè)界的AI框架都已經支持。

2)AI與科學計算結合，看到業(yè)界在探索三個方向，一是AI建模替代傳統(tǒng)的計算模型，這個方向剛剛起步，進展還不是很多；二是AI求解，模型還是傳統(tǒng)的科學計算模型，但是使用神經網(wǎng)絡的方法來求解，這個方向已經有一定的進展，目前看到不少基礎的科學計算方程已經有對應的AI求解方法，比如PINNs、PINN-Net等，當然現(xiàn)在挑戰(zhàn)還很大，特別是在精度收斂方面，如果要在AI框架上AI求解科學計算模型，最大的挑戰(zhàn)主要在前端表達和高性能的高階微分；三是使用框架來加速方程的求解，就是科學計算的模型和方法都不變，但是與深度學習使用同一個框架來求解，其實就是把框架看成面向張量計算的分布式框架。

3)計算圖形相關的，類似Taichi這樣的語言和框架，提供可微物理引擎、可微渲染引擎等

從AI的芯片發(fā)展趨勢看AI框架的挑戰(zhàn)

AI芯片主要是兩種形態(tài)，一種是基于SIMT的GPU，另外一種是類SIMD的NPU，隨著NVIDIA A100的發(fā)布，我們看到兩種芯片架構在相互借鑒，相互融合：

1. 大算力還是要靠SIMD(SIMT的靈活性雖然強，但是芯片的面積/功耗挑戰(zhàn)太大)，Tensor Core的規(guī)模越來越大；
2. 片內片間高速互聯(lián)；
3. 多硅片，大內存封裝，x倍體積（特別是推理芯片）。

AI芯片的持續(xù)演進對AI框架也提出了許多關鍵的挑戰(zhàn)：

1. 優(yōu)化與硬件耦合度提升，圖算編譯一體化：圖層融合優(yōu)化已經趨于收斂，需要和算子層聯(lián)動優(yōu)化，子圖級和算子級的界限打破，基于Graph tuning的整體優(yōu)化是目前的熱點；
2. 多樣的執(zhí)行方式：圖下沉模式和單算子調用模式混合，不同的情況下，可能采用不同的方式；
3. 可編程性挑戰(zhàn)變大：由于有了大量的SIMD加速指令，不在是單純的SIMT編程模型，異構編程的挑戰(zhàn)變大

從算法工程師和開發(fā)者的角度看AI框架的趨勢

• 新的AI編程語言嘗試突破Python的限制

目前看到有代表性主要是Julia和Swift for TensorFlow

Julia的歷史較早，目前在科學計算領域已經有不錯的應用基礎，當前結合這些領域的積累，逐步進入AI和深度學習領域，宣稱的特點是動態(tài)語言的特征，靜態(tài)語言的性能，和Python比，比較有特色的地方包括：

1. 類MATLAB的張量原生表達
2. 多態(tài)的能力+動態(tài)類型推導/特化

3. IR的反射機制

所謂的IR反射機制是指，Julia的IR可以讓開發(fā)者做二次加工，以Julia的機器學習庫Flux+Zygote為例：

Flux是一個Julia上的擴展庫，定義基本的算子，如conv，pooling，bn等等，方便開發(fā)者基于Flux去定義機器學習模型；

Zygote基于Julia提供的IR反射機制實現(xiàn)了源到源的自動微分，在這個過程中，是不要改變Julia本身的。

與Julia相比，Swift for TensorFlow則完全是另外一套思路，他試圖從工業(yè)級開發(fā)的角度來找到差異化，包括靜態(tài)類型、高性能、與端側結合的易部署等。

從目前看盡管Julia和Swift都有些特色，但是短期內還很難撼動Python在AI領域的地位。

• AI編譯器成為框架的競爭焦點

AI編譯器目前看到有三個方向在發(fā)力，第一類是致力于動靜態(tài)圖統(tǒng)一的AI JIT能力，比如TorchScript、JAX等；第二類是偏向于面向芯片的優(yōu)化，如XLA、TVM；第三類是想做AI編譯器的基礎設施，MLIR希望是提供MetaIR，成為構建AI編譯器的基礎，Relay/TVM則是想把編譯器接口開放出去支撐第三方框架。不過我們看到這三個方向都還存在比較大的挑戰(zhàn)。

AI JIT：Python的靈活性和動態(tài)性太強，動態(tài)shape好搞定，但是動態(tài)Type就難了，更不用說Python里面有大量非常靈活的數(shù)據(jù)結構的用法，一個動態(tài)圖想無縫的轉到靜態(tài)圖的確不是一件很容易的事情。

編譯加速：目前主要還是基于Pattern的算子融合和基于模板的算子生成技術，這里的瓶頸在于算子生成技術，因為算子融合的組合條件太多，基于模板無法做到完全枚舉，要提升整個編譯加速的泛化能力，下一個需要攻克的技術就是不需要模板的自動算子生成技術。

AI編譯器的基礎設施：MLIR在設計理念上確實是先進和宏大的，MLIR目標通過Dialect的擴展來支持各種領域編譯器，包括AI編譯器（圖層和算子層）。從進展看，MLIR在TF Lite的應用最快，主要是用作模型轉換工具。我們需要思考的是，MLIR帶來的好處究竟是什么？我想MLIR本身并不會打來框架性能和易用性的提升，主要還是重用和歸一，如LLVM的基礎結構CFG+BB、大量的優(yōu)化等，問題是這些重用是否有利于AI圖層和算子層的編譯，個人的觀點，對于算子層來說MLIR+LLVM肯定是適用的，對于圖層就未必，LLVM雖然統(tǒng)一了許多編程語言的編譯器，但是優(yōu)勢領域還是集中在靜態(tài)編譯領域，在JIT和VM領域，LLVM的優(yōu)勢并不明顯，CFG+BB這樣的基礎架構未必適合需要自動微分/JIT這樣的AI圖層編譯器。

從AI的部署看AI框架的挑戰(zhàn)

從AI部署看，我們看到三個趨勢：

1. 大模型在端側的部署，特別是語言型的模型
2. 端云協(xié)同的場景逐步開始應用，這里主要有兩類，一類是云側訓練，端側做在線finetuning的增量學習，第二類是聯(lián)邦學習。
3. AI無處不在，在IoT那些資源受限的設備上進行AI模型的部署。

目前看AI框架主要是兩個挑戰(zhàn)：

1. AI框架在云側和端側能否做到架構上的統(tǒng)一，這里的統(tǒng)一主要是指IR格式，只有這樣才能做到云側訓練出來的模型，在端側可以平滑的進行增量學習，并方便地進行聯(lián)邦學習。
2. AI框架能否做到可大可小，比如小到K級的底噪，能夠內置到IoT的設備里。

從AI的責任看AI框架的挑戰(zhàn)

AI的責任涉及的范圍非常廣，包括安全、隱私、公平、透明、可解釋。

作為AI業(yè)務的承載，AI框架需要具備使能AI責任的能力，目前AI框架需要解決的幾個挑戰(zhàn)：

1、對于AI責任的各個方面，缺乏通用的分析方法和度量體系，缺乏場景感知的自動化度量方法。

2、AI模型魯棒性、隱私保護技術、密態(tài)AI在實際場景下對模型性能影響較大。

3、AI的可解釋性還缺乏理論和算法支撐，難以給出人類友好的推理結果解釋。

2、MindSpore的構想

MindSpore作為一個新興的框架，大家經常問的一個問題是他的差異化在哪里？

結合前面分析的AI框架的驅動力和挑戰(zhàn)，我們希望MindSpore在5個方向上引領AI框架的演進：

• Beyond AI：從深度學習框架演進到通用張量可微計算框架

MindSpore會提供一個更通用的AI編譯器，為支持更多的應用類型提供可能性。

• 分布式并行原生（Scale out）：從手工并行演進到自動并行

MindSpore在支持大規(guī)模訓練方面除了性能和擴展性好外，更重要的是想降低這一塊的門檻，讓分布式訓練變得更加簡單。

• 圖算深度融合（Scale up）：從圖算分離優(yōu)化演進到圖算聯(lián)合優(yōu)化

MindSpore提供圖算聯(lián)合優(yōu)化、自動算子生成、深度圖優(yōu)化等關鍵技術，充分發(fā)揮AI芯片的算力。

• 全場景AI：從端云分離架構演進到端云統(tǒng)一架構

MindSpore的云側框架和端側框架做到統(tǒng)一架構，方便云端訓練/端側finetuing或者端云協(xié)同的聯(lián)邦學習

• 企業(yè)級可信能力：從消費級AI演進到企業(yè)級AI

MindSpore會內置對抗性訓練、差分隱私、密態(tài)AI、聯(lián)邦學習以及可解釋AI等能力。

當然，軟件架構都是持續(xù)演進的，很少有技術能夠做到獨門絕技，MindSpore也希望和業(yè)界其他框架在正確的方向上一起進步。

同時，MindSpore社區(qū)也對外發(fā)布了10大課題，邀請開發(fā)者一起參與創(chuàng)新。具體參見鏈接：https://github.com/mindspore-ai/community/tree/master/working-groups/research

最后，簡單介紹一下MindSpore的高層設計

MindSpore主要分為四層：

1. MindSpore Extend：這個是MindSpore的擴展包，現(xiàn)在的數(shù)量還比較少，希望未來有更多的開發(fā)者來一起貢獻和構建
2. MindSpore的表達層：MindExpress是基于Python的前端表達，未來我們也計劃陸續(xù)提供C/C++、Java等不同的前端；MindSpore也在考慮自研編程語言前端-倉頡，目前還處于預研階段；同時，我們內部也在做與Julia這些第三方前端的對接工作，引入更多的第三方生態(tài)。
3. MindSpore的編譯優(yōu)化層：MindCompiler是我們圖層的核心編譯器，主要基于端云統(tǒng)一的MindIR實現(xiàn)三大功能，包括硬件無關的優(yōu)化（類型推導/自動微分/表達式化簡等）、硬件相關優(yōu)化（自動并行、內存優(yōu)化、圖算融合、流水線執(zhí)行等）、部署推理相關的優(yōu)化（量化/剪枝等）；MindAKG是MindSpore的自動算子生成編譯器，目前還在持續(xù)完善中。
4. MindSpore全場景運行時：這里含云側、端側以及更小的IoT。

同時MindSpore也提供了面向AI責任的MindArmour，以及面向數(shù)據(jù)處理/可視化/可解釋的MindData。

MindSpore是一個新生的開源項目，今年3月底剛開源，本文介紹的構想更偏向MindSpore的規(guī)劃，其中有不少功能還沒有完善，許多功能還不好用，甚至還有些功能處于前期研究階段，希望開發(fā)者們能一起參與MindSpore社區(qū)，多提問題和意見，共建MindSpore社區(qū)。

MindSpore官網(wǎng)：https://www.mindspore.cn/

MindSpore論壇：https://bbs.huaweicloud.com/forum/forum-1076-1.html

代碼倉地址：

Gitee-https://gitee.com/mindspore/mindspore

GitHub-https://github.com/mindspore-ai/mindspore

官方QQ群: 871543426

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審核編輯：符乾江