在X3派上玩轉(zhuǎn)一億參數(shù)量超大Transformer，DIY專屬你的離線語(yǔ)音識(shí)別

Transformer模型在自然語(yǔ)言領(lǐng)域被提出后，目前已經(jīng)擴(kuò)展到了計(jì)算機(jī)視覺(jué)、語(yǔ)音等諸多領(lǐng)域。然而，雖然Transformer模型在語(yǔ)音識(shí)別領(lǐng)域有著更好的準(zhǔn)確率，但還面臨著一個(gè)問(wèn)題，計(jì)算復(fù)雜度和內(nèi)存儲(chǔ)存開(kāi)銷會(huì)隨著語(yǔ)音時(shí)長(zhǎng)的增加而變大。

技術(shù)普及在于產(chǎn)品價(jià)格親民，而價(jià)格親民在于技術(shù)易落地易實(shí)現(xiàn)，離線語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)運(yùn)而生，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)等技術(shù)且只需在本地進(jìn)行運(yùn)算就可實(shí)現(xiàn)人機(jī)語(yǔ)音交互，而且具備實(shí)時(shí)的響應(yīng)速度、無(wú)需聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，能更好的應(yīng)用在大小家電、照明、車載、健康儀器、教育設(shè)備等行業(yè)。

本次內(nèi)容由社區(qū)優(yōu)秀開(kāi)發(fā)者、首百第四批新品體驗(yàn)官——宋星辰將帶領(lǐng)大家DIY個(gè)人專屬離線語(yǔ)音識(shí)別，在X3派上玩轉(zhuǎn)一億參數(shù)量的超大Transformer。歡迎感興趣的旭友們點(diǎn)擊注冊(cè)地平線開(kāi)發(fā)者社區(qū)交流討論，相關(guān)文檔詳見(jiàn)地平線開(kāi)發(fā)者社區(qū)。

技術(shù)詳解

Step-1：模型轉(zhuǎn)換的環(huán)境準(zhǔn)備

環(huán)境準(zhǔn)備本身沒(méi)有什么奇技淫巧，這里想重點(diǎn)描述的是：pytorch版本的升級(jí)對(duì)精度瓶頸和速度瓶頸分析所帶來(lái)的跨越式的體驗(yàn)提升。

在地平線開(kāi)發(fā)者社區(qū)官方提供的安裝包中，為了兼容訓(xùn)練算法包海圖（HAT），安裝的 pytorch版本為1.10.0。pytorch版本本身對(duì)模型轉(zhuǎn)換的精度不會(huì)有什么影響，但是不同版本的pytorch所導(dǎo)出的onnx，在節(jié)點(diǎn)（node, 或稱op）命名上有很大的區(qū)別。

就一般情況而言，當(dāng)torch版本為1.10.0時(shí)，Node的命名采用了“optype+數(shù)字”的形式，這種形式的缺點(diǎn)是：當(dāng)模型 Layer/SubLayer數(shù)量非常多（比如本文一億參數(shù)量的Transformer，包含的 OP 有上千個(gè)），我們很難一眼定位 Conv_xx 到底是第幾層的第幾個(gè)卷積。

torch 1.10.0版本結(jié)果

通常一個(gè)量化明顯掉點(diǎn)的模型，會(huì)從中間某一個(gè)OP開(kāi)始有鮮明的Cosine Similarity損失，在當(dāng)前的命名格式下，為了找到這個(gè)OP在原始模型中的位置（第x Layer的第y SubLayer），我們需要從頭開(kāi)始一個(gè)一個(gè)數(shù)，這無(wú)疑是效率低下的。當(dāng)然，隨著對(duì)模型細(xì)節(jié)的熟悉，定位的速度會(huì)越來(lái)越快，但這不能從根本上解決效率問(wèn)題。

相反，當(dāng)torch版本升級(jí)到1.13.0時(shí)Node的命名采用了“Layer+SubLayer+Attribute+OP”的形式，一眼定位，一眼丁真，大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)人員定位精度問(wèn)題（哪層的OP相似度下降嚴(yán)重）or 速度問(wèn)題（哪層的OP跑在CPU）的時(shí)間。

torch 1.13.0版本結(jié)果

Step-2：C++ Demo 的編譯

由于X3派板端內(nèi)存有限，編譯C++ Demo時(shí)筆者采用了交叉編譯的形式，在開(kāi)發(fā)機(jī)上sudo安裝aarch gcc即可。至于使用C++實(shí)現(xiàn)BPU模型的板上推理，實(shí)現(xiàn)推理的邏輯本身是一件很容易的事情，無(wú)論是使用python實(shí)現(xiàn)亦或是C++實(shí)現(xiàn)，其流程都是固定的，也即：

關(guān)于這四個(gè)步驟的API調(diào)用范例，官方 C++ 文檔中都給出了比較詳細(xì)的 know-how 示例，但是大多數(shù)都是單模型 + 單輸入的簡(jiǎn)單case，在語(yǔ)音識(shí)別模型中，會(huì)涉及到 多模型（多個(gè)bin串聯(lián)）+ 多輸入（一個(gè)bin有多個(gè)輸入）的情況，這里給出本文的針對(duì)性示例：

// BPUAsrModel 類定義 using hobot::easy_dnn::Model; using hobot::easy_dnn::DNNTensor; using hobot::easy_dnn::TaskManager; using hobot::easy_dnn::ModelManager; class BPUAsrModel : public AsrModel { public: BPUAsrModel() = default; ~BPUAsrModel(); BPUAsrModel(const BPUAsrModel& other); void Read(const std::string& model_dir); void PrepareEncoderInput(const std::vector>& chunk_feats); // 其他成員函數(shù)... protected: void ForwardEncoderFunc(const std::vector>& chunk_feats, std::vector>* ctc_prob) override; private: // models std::shared_ptr encoder_model_ = nullptr; std::shared_ptr ctc_model_ = nullptr; // input/output tensors, 使用vector方便應(yīng)對(duì)單模型多輸入的情況 std::vector> encoder_input_, encoder_output_; std::vector> ctc_input_, ctc_output_; // 其他成員變量... };

Step-3：正式開(kāi)始模型轉(zhuǎn)換

（一）一行代碼 改寫Transformer模型

使用工具鏈去轉(zhuǎn)換NLP領(lǐng)域的原生Transformer模型，體驗(yàn)可能會(huì)是非常糟糕的（甚至?xí)谵D(zhuǎn)換過(guò)程中直接報(bào)錯(cuò)）。這是因?yàn)镹LP中的Transformer，輸入tensor的維度通常是二維或三維，類型既包含float也包含long 。而XJ3芯片在設(shè)計(jì)時(shí)只著重考慮了視覺(jué)任務(wù)，通常都是浮點(diǎn)的四維圖像輸入，工具鏈也只對(duì)這類視覺(jué)模型有比較極致的體驗(yàn)優(yōu)化。

那么，為了轉(zhuǎn)換NLP類的Transformer，我們是否需要重頭訓(xùn)練一個(gè)四維數(shù)據(jù)流的模型呢？答案顯然是否定的，本文通過(guò)等價(jià)替換和抽象封裝，實(shí)現(xiàn)了一行代碼將原生Transformer等價(jià)改寫為BPU友好的Transformer：

# 一鍵完成 3D數(shù)據(jù)流 Transformer 等價(jià)轉(zhuǎn)換 4D數(shù)據(jù)流 Transformer Encoder4D = wenet.bin.export_onnx_bpu.BPUTransformerEncoder(Encoder3D)

這里的BPU TransformerEncoder就像是科幻電影中的“外骨骼機(jī)甲”一樣，其內(nèi)核沒(méi)變（權(quán)重參數(shù)值沒(méi)變），但是功能上實(shí)現(xiàn)了針對(duì)性升級(jí)。具體而言，在 BPUTransformerEncoder 的構(gòu)造過(guò)程中，會(huì)逐OP遍歷原生的 Encoder3D，并對(duì)其中的 BPU 不友好的 OP 實(shí)施等價(jià)改寫。

（二） 一句命令 走完轉(zhuǎn)換全流程

一個(gè)完整pytorch模型到bpu模型的轉(zhuǎn)換流程，一般要經(jīng)過(guò)如下四步：

①pytorch 模型 轉(zhuǎn) onnx 模型；

②構(gòu)造 Calibration 數(shù)據(jù)；

③構(gòu)造 config.yaml；

④調(diào)用 hb_mapper 執(zhí)行 onnx 轉(zhuǎn) bpu bin。

在WeNet開(kāi)源的代碼中，我們用人民群眾喜聞樂(lè)見(jiàn)的python把這四個(gè)步驟 “粘” 到了一起，使用如下命令，就可走完全流程。

python3 $WENET_DIR/tools/onnx2horizonbin.py \ --config ./model_subsample8_parameter110M/train.yaml \ --checkpoint ./model_subsample8_parameter110M/final.pt \ --output_dir ./model_subsample8_parameter110M/sample50_chunk8_leftchunk16 \ --chunk_size 8 \ --num_decoding_left_chunks 16 \ --max_samples 50 \ --dict ./model_subsample8_parameter110M/units.txt \ --cali_datalist ./model_subsample8_parameter110M/calibration_data/data.list

其中：

config（描述了模型配置，幾層layer等）；

checkpoint（pytorch 浮點(diǎn)模型）；

output_dir（.bin 文件輸出目錄）；

chunk_size（跟識(shí)別有關(guān)的解碼參數(shù)）；

num_decoding_left_chunks（跟識(shí)別有關(guān)的解碼參數(shù)）；

max_samples（使用多少句數(shù)據(jù)制作calibration data）；

dict（字典）；

cali_datalist（描述了標(biāo)定數(shù)據(jù)的位置）。

綜上，我們對(duì)如下這四個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)了完完全全的 python化封裝 和 一體化串聯(lián) ，真正實(shí)現(xiàn)了一句命令（python3 $WENET_DIR/tools/onnx2horizonbin.py ...）走完全部轉(zhuǎn)換流程。

Demo展示

硬件配置：

模型配置：

解碼速度對(duì)比（單核單線程，量化后的模型）：

本文轉(zhuǎn)自地平線開(kāi)發(fā)者社區(qū)
原作者：xcsong