基于IoT設(shè)備的CNN推理機(jī)實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)方案 - 全文

通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備能夠得以解析非結(jié)構(gòu)化的多媒體數(shù)據(jù)，智能地響應(yīng)用戶和環(huán)境事件，但是卻伴隨著苛刻的性能和功耗要求。本文作者探討了兩種方式以便將深度學(xué)習(xí)和低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備成功整合。

近年來，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上，它們采集周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，并使用傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)理解這些數(shù)據(jù)。一個例子是Google的Nest恒溫器，采用結(jié)構(gòu)化的方式記錄溫度數(shù)據(jù)，并通過算法來掌握用戶的溫度偏好和時間表。然而，其對于非結(jié)構(gòu)化的多媒體數(shù)據(jù)，例如音頻信號和視覺圖像則顯得無能為力。

新興的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采用了更加復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來探索其所處環(huán)境。例如，Amazon Echo可以理解人的語音指令，通過語音識別，將音頻信號轉(zhuǎn)換成單詞串，然后使用這些單詞來搜索相關(guān)信息。最近，微軟的Windows物聯(lián)網(wǎng)團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一個基于面部識別的安全系統(tǒng)，利用到了深度學(xué)習(xí)技術(shù)，當(dāng)識別到用戶面部時能夠自動解開門鎖。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的深度學(xué)習(xí)應(yīng)用通常具有苛刻的實(shí)時性要求。例如，基于物體識別的安全攝像機(jī)為了能及時響應(yīng)房屋內(nèi)出現(xiàn)的陌生人，通常需要小于500毫秒的檢測延遲來捕獲和處理目標(biāo)事件。消費(fèi)級的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常采用云服務(wù)來提供某種智能，然而其所依賴的優(yōu)質(zhì)互聯(lián)網(wǎng)連接，僅僅在部分范圍內(nèi)可用，并且往往需要較高的成本，這對設(shè)備能否滿足實(shí)時性要求提出了挑戰(zhàn)。與之相比，直接在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)或許是一個更好的選擇，這樣就可以免受連接質(zhì)量的影響。

然而，直接在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)是困難的。事實(shí)上，低功耗是移動物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主要特征，而這通常意味著計(jì)算能力受限，內(nèi)存容量較小。在軟件方面，為了減少內(nèi)存占用，應(yīng)用程序通常直接運(yùn)行在裸機(jī)上，或者在包含極少量第三方庫的輕量級操作系統(tǒng)上。而與之相反，深度學(xué)習(xí)意味著高性能計(jì)算，并伴隨著高功耗。此外，現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)庫通常需要調(diào)用許多第三方庫，而這些庫很難遷移到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

在深度學(xué)習(xí)任務(wù)中，最廣泛使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNNs），它能夠?qū)⒎墙Y(jié)構(gòu)化的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)化的對象標(biāo)簽數(shù)據(jù)。一般來說，CNNs的工作流程如下：首先，卷積層掃描輸入圖像以生成特征向量；第二步，激活層確定在圖像推理過程中哪些特征向量應(yīng)該被激活使用；第三步，使用池化層降低特征向量的大?。蛔詈?，使用全連接層將池化層的所有輸出和輸出層相連。

在本文中，我們將討論如何使用CNN推理機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

將服務(wù)遷移到云端

對于低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，問題在于是否存在一個可靠的解決方案，能夠?qū)⑸疃葘W(xué)習(xí)部署在云端，同時滿足功耗和性能的要求。為了回答這個問題，我們在一塊Nvidia Jetson TX1設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了基于CNN的物體推理，并將其性能、功耗與將這些服務(wù)遷移到云端后的情況進(jìn)行對比。

為了確定將服務(wù)遷移到云端后，是否可以降低功耗并滿足對物體識別任務(wù)的實(shí)時性要求，我們將圖像發(fā)送到云端，然后等待云端將結(jié)果返回。研究表明，對于物體識別任務(wù)，本地執(zhí)行的功耗為7 W，而遷移到云端后功耗降低為2W。這說明將服務(wù)遷移到云端確實(shí)是降低功耗的有效途徑。

然而，遷移到云端會導(dǎo)致至少2秒的延遲，甚至可能高達(dá)5秒，這不能滿足我們500ms的實(shí)時性要求。此外，延遲的劇烈抖動使得服務(wù)非常不可靠（作為對比，我們在美國和中國分別運(yùn)行這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察）。通過這些實(shí)驗(yàn)我們得出結(jié)論，在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，將實(shí)時性深度學(xué)習(xí)任務(wù)遷移到云端是一個尚未可行的解決方案。

移植深度學(xué)習(xí)平臺到嵌入式設(shè)備

相比遷移到云端的不切實(shí)際，一個選擇是將現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)平臺移植到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。為此，我們選擇移植由Google開發(fā)并開源的深度學(xué)習(xí)平臺TesnsorFlow來建立具有物體推理能力的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備Zuluko——PerceptIn的裸機(jī)ARM片上系統(tǒng)。Zuluko由四個運(yùn)行在1 GHz的ARM v7內(nèi)核和512 MB RAM組成，峰值功耗約為3W。根據(jù)我們的研究，在基于ARM-Linux的片上系統(tǒng)上，TensorFlow能夠提供最佳性能，這也是我們選擇它的原因。

我們預(yù)計(jì)能夠在幾天內(nèi)完成移植工作，然而，移植TensorFlow并不容易，它依賴于許多第三方庫（見圖1）。為了減少資源消耗，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都運(yùn)行在裸機(jī)上，因此移植所有依賴項(xiàng)可以說是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。我們花了一個星期的精力才使得TensorFlow得以在Zuluko上運(yùn)行。此次經(jīng)驗(yàn)也使我們重新思考，相比移植一個現(xiàn)有的平臺，是否從頭開始構(gòu)建一個新平臺更值得。然而缺乏諸如卷積算子等基本的構(gòu)建塊，從頭開始構(gòu)建并不容易。此外，從頭開始構(gòu)建的推理機(jī)也很難比一個久經(jīng)測試的深度學(xué)習(xí)框架表現(xiàn)更優(yōu)。

圖1 TensorFlow對第三方庫的依賴。因?yàn)橐蕾囉谠S多第三方庫，將現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)平臺（如TensorFlow）移植到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并不是一個簡單的過程。

從頭開始構(gòu)建推理機(jī)

ARM最近宣布推出其計(jì)算庫（ACL，developer.arm.com/technologies/compute-library），為ARM Cortex-A系列CPU處理器和ARM Mali系列GPU實(shí)現(xiàn)了軟件功能的綜合集成。具體而言，ACL為CNNs提供了基本的構(gòu)建模塊，包括激活、卷積、全連接和局部連接、規(guī)范化、池化和softmax功能。這些功能正是我們建立推理機(jī)所需要的。

我們使用ACL構(gòu)建塊構(gòu)建了一個具有SqueezeNet架構(gòu)的CNN推理機(jī)，其內(nèi)存占用空間小，適合于嵌入式設(shè)備。SqueezeNet在保持相似的推理精度的同時，使用1×1卷積核來減少3×3卷積層的輸入大小。然后，我們將SqueezeNet推理機(jī)的性能與Zuluko上的TensorFlow進(jìn)行比較。為了確保比較的公平性，我們啟用了TensorFlow中的ARM NEON向量計(jì)算優(yōu)化，并在創(chuàng)建SqueezeNet引擎時使用了支持NEON的構(gòu)建塊。確保兩個引擎都使用了NEON向量計(jì)算，這樣任何性能差異將僅由平臺本身引起。如圖2所示，平均來言，TensorFlow處理227×227像素的RGB圖像需要420 ms，而SqueezeNet將處理相同圖像的時間縮短到320ms，加速了25％。

圖2 在TensorFlow上運(yùn)行的SqueezeNet推理機(jī)與使用ARM Compute Library（ACL）構(gòu)建的SqueezeNet推理機(jī)的性能。從頭開始構(gòu)建簡單的推理引擎不僅需要較少的開發(fā)時間，而且相比現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)引擎，如TensorFlow，表現(xiàn)更加優(yōu)秀。

為了更好地了解性能增益的來源，我們將執(zhí)行過程分為兩部分：第一部分包括卷積、ReLU（線性整流函數(shù)）激活和級聯(lián)；第二部分包括池化和softmax功能。圖2所示的分析表明，SqueezeNet在第一部分中的性能相比TensorFlow提高23％，在第二部分中提高110％?？紤]資源利用率，當(dāng)在TensorFlow上運(yùn)行時，平均CPU使用率為75％，平均內(nèi)存使用量為9MB;當(dāng)在SqueezeNet上運(yùn)行時，平均CPU使用率為90％，平均內(nèi)存使用量約為10MB。兩個原因帶來了性能的提升：首先，SqueezeNet提供了更好的NEON優(yōu)化，所有ACL運(yùn)算符都是使用NEON提供的運(yùn)算符直接開發(fā)的，而TensorFlow則依靠ARM編譯器來提供NEON優(yōu)化。其次，TensorFlow平臺本身可能會引起一些額外的性能開銷。

接下來，我們希望能夠從TensorFlow中榨出更多的性能，看看它是否能勝過我們構(gòu)建的SqueezeNet推理機(jī)。一種常用的技術(shù)是使用矢量量化，使用8位權(quán)重以精度來換取性能。8位權(quán)重的使用，使得我們可以通過向量操作，只需一個指令便可計(jì)算多個數(shù)據(jù)單元。然而，這種優(yōu)化是有代價的：它引入了重新量化和去量化操作。我們在TensorFlow中實(shí)現(xiàn)了這個優(yōu)化，圖3比較了有無優(yōu)化的性能。使用矢量量化將卷積性能提高了25％，但由于去量化和重新量化操作，也顯著地增加了開銷?？傮w而言，它將整個推理過程減慢了超過100毫秒。

圖3 有無矢量量化的TensorFlow性能。手動優(yōu)化現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)平臺（如TensorFlow）很困難，可能不會帶來顯著的性能提升。

網(wǎng)絡(luò)連接是易失的，因此我們想要確保能夠在本地設(shè)備上實(shí)現(xiàn)某種形式的智能，使其能夠在ISP或網(wǎng)絡(luò)故障的情況下繼續(xù)運(yùn)行。然而要想實(shí)現(xiàn)它，需要較高的計(jì)算性能和功耗。

盡管將服務(wù)遷移到云端能夠減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗，但很難滿足實(shí)時性要求。而且現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)平臺是為了通用性任務(wù)而設(shè)計(jì)開發(fā)的，同時適用于訓(xùn)練和推理任務(wù)，這意味著這些引擎未針對嵌入式推理任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。并且它們還依賴于裸機(jī)嵌入式系統(tǒng)上不易獲得的其他第三方庫，這些都使其非常難以移植。

通過使用ACL構(gòu)建塊來建立嵌入式CNN推理引擎，我們可以充分利用SoC的異構(gòu)計(jì)算資源獲得高性能。因此，問題變?yōu)槭沁x擇移植現(xiàn)有引擎，還是從零開始構(gòu)建它們更容易。我們的經(jīng)驗(yàn)表明，如果模型很簡單，相比之下從頭開始構(gòu)建它們?nèi)菀椎枚唷６S著模型越來越復(fù)雜，在某些情況下，可能我們遷移現(xiàn)有引擎相對更加高效。然而，考慮到嵌入式設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的任務(wù)，不大可能會需要用到復(fù)雜的模型。因此我們得出結(jié)論，從頭開始構(gòu)建一個嵌入式推理引擎或許是向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供深度學(xué)習(xí)能力的可行方法。

更進(jìn)一步

相比從頭開始手動構(gòu)建模型，我們需要一種更方便的方式來在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上提供深度學(xué)習(xí)能力。一個解決方案是實(shí)現(xiàn)一個深度學(xué)習(xí)的模型編譯器，可以將給定的模型經(jīng)過優(yōu)化，編譯為目標(biāo)平臺上的可執(zhí)行代碼。如圖4中間的圖所示，這種編譯器的前端可以從主要的深度學(xué)習(xí)平臺（包括MXNet、Caffe、TensorFlow等）解析模型。然后，優(yōu)化器可以執(zhí)行額外的優(yōu)化，包括模型修剪，量化和異構(gòu)執(zhí)行。優(yōu)化后，由代碼生成器生成目標(biāo)平臺上可執(zhí)行代碼，可以是ACL（用于ARM設(shè)備），TensorRT（用于Nvidia GPU）或其他ASIC設(shè)備。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)架構(gòu)。我們需要一個新的系統(tǒng)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的深度學(xué)習(xí)：首先，我們需要直接編譯和優(yōu)化深度學(xué)習(xí)模型生成目標(biāo)設(shè)備上的可執(zhí)行代碼; 其次，我們需要一個非常輕量級的操作系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)及其間的高效通信。IMU：慣性測量單元。

NNVM項(xiàng)目（github.com/dmlc/nnvm）是邁向這一目標(biāo)的第一步。我們已經(jīng)成功地擴(kuò)展了NNVM來生成代碼，以便我們可以使用ACL來加速ARM設(shè)備上的深度學(xué)習(xí)操作。這種方法的另一個好處是，即使模型變得更加復(fù)雜，我們?nèi)匀豢梢暂p松地在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)它們。

當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常由于計(jì)算資源的限制而執(zhí)行單個任務(wù)。然而，我們預(yù)計(jì)很快將有能夠執(zhí)行多個任務(wù)的低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（例如，我們的Zuluko設(shè)備就包含了四個內(nèi)核）。為了使用這些設(shè)備，我們需要一個非常輕量級的消息傳遞協(xié)議來連接不同的服務(wù)。

如圖4所示，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基本服務(wù)包括傳感，感知和決策。傳感節(jié)點(diǎn)涉及處理來自例如攝像機(jī)，慣性測量單元和車輪測距的原始傳感器數(shù)據(jù)。感知節(jié)點(diǎn)使用已處理的傳感器數(shù)據(jù)，并對所捕獲的信息進(jìn)行解釋，例如對象標(biāo)簽和設(shè)備位置。動作節(jié)點(diǎn)包含一組規(guī)則，用于確定在檢測到特定事件時如何響應(yīng)，例如在檢測到所有者的臉部時解鎖門，或者當(dāng)檢測到障礙物時調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動路徑。Nanomsg（nanomsg.org）是一個非常輕量級的消息傳遞框架，非常適合類似的任務(wù)。另一個選擇是機(jī)器人操作系統(tǒng)，盡管我們發(fā)現(xiàn)對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，其在內(nèi)存占用和計(jì)算資源需求方面顯得太重了。

為了有效地將深度學(xué)習(xí)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成，我們開發(fā)了自己的操作系統(tǒng)，包括用于消費(fèi)級傳感器輸入的傳感器接口，基于NNVM的編譯器，將現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)模型編譯并優(yōu)化為可執(zhí)行代碼，以及基于Nanomsg的消息傳輸框架來連接所有的節(jié)點(diǎn)。

筆者希望本文將激勵研究人員和開發(fā)人員，在比以往更小的嵌入式設(shè)備中設(shè)計(jì)更加智能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。