ExecuTorch XNNPACK 代理

这是 ExecuTorch XNNPACK 后端代理的高级概述。此高性能代理旨在减少 ExecuTorch 模型的 CPU 推理延迟。我们将简要介绍 XNNPACK 库，并探讨代理的整体架构和预期用例。

什么是 XNNPACK？

XNNPACK 是一个高度优化的神经网络运算符库，适用于 Android、iOS、Windows、Linux 和 macOS 环境中的 ARM、x86 和 WebAssembly 架构。它是一个开源项目，您可以在 github 上找到有关它的更多信息。

什么是 ExecuTorch 代理？

代理是后端处理和执行 ExecuTorch 程序部分的入口点。ExecuTorch 模型的委托部分将执行权移交给后端。XNNPACK 后端代理是 ExecuTorch 中众多可用代理之一。它利用 XNNPACK 第三方库来有效地跨各种 CPU 加速 ExecuTorch 程序。有关代理和开发自己的代理的更多详细信息，请参阅 此处。建议您在继续了解架构部分之前先熟悉该内容。

架构

提前

在 ExecuTorch 导出流程中，降低到 XNNPACK 代理发生在 to_backend() 阶段。在此阶段，模型由 XnnpackPartitioner 进行分区。图的已分区部分被转换为 XNNPACK 特定的图表示，然后通过 flatbuffer 进行序列化。序列化后的 flatbuffer 随后即可在运行时由 XNNPACK 后端反序列化和执行。

分区器

分区器由后端代理实现，用于标记适合降低的节点。 XnnpackPartitioner 使用节点目标和模块元数据进行降低。有关分区器的更多参考，请参阅 此处

基于模块的分区

source_fn_stack 嵌入在节点的元数据中，并提供有关这些节点来源的信息。例如，当捕获和导出 to_edge 时，诸如 torch.nn.Linear 之类的模块会为其计算生成一组节点。与计算线性模块相关的节点组然后具有 source_fn_stack 的 torch.nn.Linear. Partitioning based on source_fn_stack` 使我们能够识别可通过 XNNPACK 降低的节点组。

例如，在捕获 torch.nn.Linear 后，您将在与线性相关的 addmm 节点的元数据中找到以下键

>>> print(linear_node.meta["source_fn_stack"])
'source_fn_stack': ('fn', <class 'torch.nn.modules.linear.Linear'>)

基于操作符的分区

XnnpackPartitioner 也使用操作符目标进行分区。它遍历图并识别可降低到 XNNPACK 的单个节点。基于模块的分区的一个缺点是，来自 分解 的运算符可能会被跳过。例如，torch.nn.Hardsigmoid 之类的运算符被分解为 add、muls、divs 和 clamps。虽然 hardsigmoid 不可降低，但我们可以降低分解后的运算符。依赖于 source_fn_stack 元数据将跳过这些可降低的运算符，因为它们属于不可降低的模块，因此为了提高模型性能，我们也根据操作符目标以及 source_fn_stack 贪婪地降低运算符。

传递

在任何序列化之前，我们都会对子图应用传递以准备图。这些传递本质上是图转换，有助于提高代理的性能。我们在下面概述了最重要的传递及其功能。有关所有传递的描述，请参阅 此处

• 通道最后重塑

  • ExecuTorch 张量在传递给委托之前通常是连续的，而 XNNPACK 仅接受通道优先（channels-last）的内存布局。此阶段将插入的置换操作符数量降到最低，以传递通道优先的内存格式。

• Conv1d 到 Conv2d

  • 允许我们通过将 Conv1d 节点转换为 Conv2d 来委托它们。

• 卷积和 BN 融合

  • 将批归一化操作与之前的卷积节点融合。

序列化

在将可降低的子图从模型中划分出来后，XNNPACK 委托会预处理这些子图，并通过 FlatBuffer 将其序列化到 XNNPACK 后端。

序列化模式

XNNPACK 委托使用 FlatBuffer 进行序列化。为了提高运行时性能，XNNPACK 委托的 FlatBuffer 模式 镜像了 XNNPACK 库的图级 API 调用。序列化后的数据是 XNNPACK API 的参数，因此在运行时，可以通过连续调用 XNNPACK 的 API 来高效地创建 XNNPACK 执行图。

运行时

XNNPACK 后端的运行时通过自定义的 init 和 execute 函数与 ExecuTorch 运行时交互。每个委托的子图都包含在一个单独序列化的 XNNPACK Blob 中。当模型初始化时，ExecuTorch 会对所有 XNNPACK Blob 调用 init 以从序列化的 FlatBuffer 加载子图。之后，当模型执行时，每个子图都通过后端通过自定义的 execute 函数执行。要详细了解委托运行时如何与 ExecuTorch 交互，请参阅此 资源。

XNNPACK 库

XNNPACK 委托支持多个平台上的 CPU；有关支持的硬件架构的更多信息，请参阅 XNNPACK 库的 README。

初始化 (Init)

在调用 XNNPACK 委托的 init 时，我们通过 FlatBuffer 反序列化预处理的 Blob。我们使用预先序列化好的信息定义节点（运算符）和边（中间张量）以构建 XNNPACK 执行图。如前所述，大部分处理工作已在预先完成，因此在运行时，我们只需连续调用 XNNPACK API 并传入序列化好的参数即可。当我们将静态数据定义到执行图中时，XNNPACK 会在运行时执行权重打包以准备静态数据（如权重和偏差），以便高效执行。创建执行图后，我们创建运行时对象并将其传递给 execute。

由于权重打包会在 XNNPACK 内部创建权重的额外副本，因此我们释放预处理的 XNNPACK Blob 内权重的原始副本，这使我们能够减少一些内存开销。

执行 (Execute)

在执行 XNNPACK 子图时，我们准备张量输入和输出，并将它们馈送到 XNNPACK 运行时图。执行运行时图后，输出指针将填充计算出的张量。

性能分析 (Profiling)

我们已为 XNNPACK 委托启用了基本性能分析，可以通过以下编译器标志 -DENABLE_XNNPACK_PROFILING 启用。通过 ExecuTorch 的开发者工具集成，您现在还可以使用开发者工具来分析模型。您可以按照 使用 ExecuTorch 开发者工具分析模型 中的步骤了解如何分析 ExecuTorch 模型并使用开发者工具的检查器 API 查看 XNNPACK 的内部性能分析信息。

量化

XNNPACK 委托也可以用作后端来执行对称量化模型。对于量化模型委托，我们使用 XNNPACKQuantizer 对模型进行量化。Quantizers 是特定于后端的，这意味着 XNNPACKQuantizer 被配置为量化模型以利用 XNNPACK 库提供的量化运算符。我们不会详细介绍如何实现自定义量化器，您可以按照 此处 的文档来操作。但是，我们将简要概述如何量化模型以利用 XNNPACK 委托的量化执行。

配置 XNNPACKQuantizer

from torch.ao.quantization.quantizer.xnnpack_quantizer import (
  XNNPACKQuantizer,
  get_symmetric_quantization_config,
)
quantizer = XNNPACKQuantizer()
quantizer.set_global(get_symmetric_quantization_config())

在这里，我们初始化 XNNPACKQuantizer 并将量化配置设置为对称量化。对称量化是指权重以 qmin = -127 和 qmax = 127 对称量化，这强制量化零点为零。get_symmetric_quantization_config() 可以使用以下参数进行配置

• is_per_channel

  • 权重跨通道量化

• is_qat

  • 量化感知训练

• is_dynamic

  • 动态量化

然后，我们可以根据需要配置 XNNPACKQuantizer。我们以下面的配置为例

quantizer.set_global(quantization_config)
    .set_object_type(torch.nn.Conv2d, quantization_config) # can configure by module type
    .set_object_type(torch.nn.functional.linear, quantization_config) # or torch functional op typea
    .set_module_name("foo.bar", quantization_config)  # or by module fully qualified name

使用 XNNPACKQuantizer 量化模型

配置完量化器后，我们就可以量化模型了

from torch.export import export_for_training

exported_model = export_for_training(model_to_quantize, example_inputs).module()
prepared_model = prepare_pt2e(exported_model, quantizer)
print(prepared_model.graph)

Prepare 会执行一些 Conv2d-BN 融合，并在适当的位置插入量化观察器。对于训练后量化，我们通常在此步骤之后校准模型。我们通过 prepared_model 运行示例来观察张量的统计数据，以计算量化参数。

最后，我们在这里转换模型

quantized_model = convert_pt2e(prepared_model)
print(quantized_model)

您现在将看到模型的 Q/DQ 表示，这意味着 torch.ops.quantized_decomposed.dequantize_per_tensor 会插入到量化运算符的输入端，而 torch.ops.quantized_decomposed.quantize_per_tensor 会插入到运算符的输出端。示例

def _qdq_quantized_linear(
    x_i8, x_scale, x_zero_point, x_quant_min, x_quant_max,
    weight_i8, weight_scale, weight_zero_point, weight_quant_min, weight_quant_max,
    bias_fp32,
    out_scale, out_zero_point, out_quant_min, out_quant_max
):
    x_fp32 = torch.ops.quantized_decomposed.dequantize_per_tensor(
        x_i8, x_scale, x_zero_point, x_quant_min, x_quant_max, torch.int8)
    weight_fp32 = torch.ops.quantized_decomposed.dequantize_per_tensor(
        weight_i8, weight_scale, weight_zero_point, weight_quant_min, weight_quant_max, torch.int8)
    out_fp32 = torch.ops.aten.linear.default(x_fp32, weight_fp32, bias_fp32)
    out_i8 = torch.ops.quantized_decomposed.quantize_per_tensor(
        out_fp32, out_scale, out_zero_point, out_quant_min, out_quant_max, torch.int8)
    return out_i8

您可以在此处阅读有关 PyTorch 2 量化的更深入解释 此处。

另请参阅

• 集成 XNNPACK 委托 Android 应用

• 完成降低到 XNNPACK 的教程