PyTorch 2 Export 量化通过 Inductor 在 Intel GPU 后端实现¶

作者: Yan Zhiwei, Wang Eikan, Zhang Liangang, Liu River, Cui Yifeng

前提条件¶

PyTorch 2 Export 训练后量化
PyTorch 中的 TorchInductor 和 torch.compile 概念
PyTorch 2.7 或更高版本

介绍¶

本教程介绍 XPUInductorQuantizer，其目标是为 Intel GPU 上的推理提供量化模型。XPUInductorQuantizer 使用 PyTorch Export 量化流程并将量化模型下层到 inductor。

PyTorch 2 Export 量化流程使用 torch.export 将模型捕获到图中，并在 ATen 图之上执行量化转换。这种方法预计将显著提高模型覆盖率，并具有更好的可编程性和简化的用户体验。TorchInductor 是一个编译器后端，它将由 TorchDynamo 生成的 FX Graph 转换为优化的 C++/Triton 内核。

量化流程包含三个步骤

步骤 1：基于 torch export 机制从 eager 模型捕获 FX Graph。
步骤 2：基于捕获的 FX Graph 应用量化流程，包括定义后端特定的量化器、生成带有观察器的准备模型、执行准备模型的校准以及将准备模型转换为量化模型。
步骤 3：使用 API torch.compile 将量化模型下层到 inductor，这将调用 Triton 内核或 oneDNN GEMM/卷积内核。

该流程的高级架构如下所示

训练后量化¶

静态量化是我们目前唯一支持的方法。

建议通过 Intel GPU 通道安装以下依赖项

pip3 install torch torchvision torchaudio pytorch-triton-xpu --index-url https://download.pytorch.org/whl/xpu

请注意，由于 inductor 的 freeze 功能尚未默认开启，你必须使用 TORCHINDUCTOR_FREEZING=1 运行示例代码。

例如

TORCHINDUCTOR_FREEZING=1 python xpu_inductor_quantizer_example.py

1. 捕获 FX Graph¶

我们将首先执行必要的导入，从 eager 模块捕获 FX Graph。

import torch
import torchvision.models as models
from torch.ao.quantization.quantize_pt2e import prepare_pt2e, convert_pt2e
import torch.ao.quantization.quantizer.xpu_inductor_quantizer as xpuiq
from torch.ao.quantization.quantizer.xpu_inductor_quantizer import XPUInductorQuantizer
from torch.export import export_for_training

# Create the Eager Model
model_name = "resnet18"
model = models.__dict__[model_name](weights=models.ResNet18_Weights.DEFAULT)

# Set the model to eval mode
model = model.eval().to("xpu")

# Create the data, using the dummy data here as an example
traced_bs = 50
x = torch.randn(traced_bs, 3, 224, 224, device="xpu").contiguous(memory_format=torch.channels_last)
example_inputs = (x,)

# Capture the FX Graph to be quantized
with torch.no_grad():
    exported_model = export_for_training(
        model,
        example_inputs,
    ).module()

接下来，我们将对 FX 模块进行量化。

2. 应用量化¶

捕获 FX 模块后，我们将导入用于 Intel GPU 的后端量化器并配置它来量化模型。

quantizer = XPUInductorQuantizer()
quantizer.set_global(xpuiq.get_default_xpu_inductor_quantization_config())

XPUInductorQuantizer 中的默认量化配置对激活和权重都使用有符号 8 位。张量采用逐张量（per-tensor）量化，而权重采用有符号 8 位逐通道（per-channel）量化。

可选地，除了使用非对称量化激活的默认量化配置外，还支持有符号 8 位对称量化激活，这有可能提供更好的性能。

from torch.ao.quantization.observer import HistogramObserver, PerChannelMinMaxObserver
from torch.ao.quantization.quantizer.quantizer import QuantizationSpec
from torch.ao.quantization.quantizer.xnnpack_quantizer_utils import QuantizationConfig
from typing import Any, Optional, TYPE_CHECKING
if TYPE_CHECKING:
    from torch.ao.quantization.qconfig import _ObserverOrFakeQuantizeConstructor
def get_xpu_inductor_symm_quantization_config():
    extra_args: dict[str, Any] = {"eps": 2**-12}
    act_observer_or_fake_quant_ctr = HistogramObserver
    act_quantization_spec = QuantizationSpec(
        dtype=torch.int8,
        quant_min=-128,
        quant_max=127,
        qscheme=torch.per_tensor_symmetric,  # Change the activation quant config to symmetric
        is_dynamic=False,
        observer_or_fake_quant_ctr=act_observer_or_fake_quant_ctr.with_args(
            **extra_args
        ),
    )

    weight_observer_or_fake_quant_ctr: _ObserverOrFakeQuantizeConstructor = (
        PerChannelMinMaxObserver
    )

    weight_quantization_spec = QuantizationSpec(
        dtype=torch.int8,
        quant_min=-128,
        quant_max=127,
        qscheme=torch.per_channel_symmetric, # Same as the default config, the only supported option for weight
        ch_axis=0,  # 0 corresponding to weight shape = (oc, ic, kh, kw) of conv
        is_dynamic=False,
        observer_or_fake_quant_ctr=weight_observer_or_fake_quant_ctr.with_args(
            **extra_args
        ),
    )

    bias_quantization_spec = None  # will use placeholder observer by default
    quantization_config = QuantizationConfig(
        act_quantization_spec,
        act_quantization_spec,
        weight_quantization_spec,
        bias_quantization_spec,
        False,
    )
    return quantization_config

# Then, set the quantization configuration to the quantizer.
quantizer = XPUInductorQuantizer()
quantizer.set_global(get_xpu_inductor_symm_quantization_config())

导入后端特定的量化器后，准备模型进行训练后量化。prepare_pt2e 将 BatchNorm 算子折叠到其前面的 Conv2d 算子中，并在模型的适当位置插入观察器。

prepared_model = prepare_pt2e(exported_model, quantizer)

（仅适用于静态量化） 在观察器插入模型后，校准 prepared_model。

# We use the dummy data as an example here
prepared_model(*example_inputs)

# Alternatively: user can define the dataset to calibrate
# def calibrate(model, data_loader):
#     model.eval()
#     with torch.no_grad():
#         for image, target in data_loader:
#             model(image)
# calibrate(prepared_model, data_loader_test)  # run calibration on sample data

最后，将校准的模型转换为量化模型。convert_pt2e 接收一个校准模型并生成一个量化模型。

converted_model = convert_pt2e(prepared_model)

完成这些步骤后，量化流程就完成了，量化模型即可使用。

3. 下层到 Inductor¶

然后，量化模型将被下层到 inductor 后端。

with torch.no_grad():
    optimized_model = torch.compile(converted_model)

    # Running some benchmark
    optimized_model(*example_inputs)

在更高级的场景中，int8-mixed-bf16 量化开始发挥作用。在这种情况下，在没有后续量化节点时，卷积或 GEMM 算子会产生 BFloat16 而不是 Float32 输出。随后，BFloat16 张量会无缝地通过后续的逐点（pointwise）算子传播，有效减少内存使用并可能提升性能。此功能的使用方法与常规 BFloat16 Autocast 相似，只需将脚本包裹在 BFloat16 Autocast 上下文中即可。

with torch.amp.autocast(device_type="xpu", dtype=torch.bfloat16), torch.no_grad():
        # Turn on Autocast to use int8-mixed-bf16 quantization. After lowering into indcutor backend,
        # For operators such as QConvolution and QLinear:
        # * The input data type is consistently defined as int8, attributable to the presence of a pair
        #    of quantization and dequantization nodes inserted at the input.
        # * The computation precision remains at int8.
        # * The output data type may vary, being either int8 or BFloat16, contingent on the presence
        #   of a pair of quantization and dequantization nodes at the output.
        # For non-quantizable pointwise operators, the data type will be inherited from the previous node,
        # potentially resulting in a data type of BFloat16 in this scenario.
        # For quantizable pointwise operators such as QMaxpool2D, it continues to operate with the int8
        # data type for both input and output.
        optimized_model = torch.compile(converted_model)

        # Running some benchmark
        optimized_model(*example_inputs)

结论¶

在本教程中，我们学习了如何利用 XPUInductorQuantizer 对模型进行训练后量化，以便在 Intel GPU 上进行推理，并利用了 PyTorch 2 的 Export 量化流程。我们涵盖了捕获 FX Graph、应用量化以及使用 torch.compile 将量化模型下层到 inductor 后端的逐步过程。此外，我们还探讨了使用 int8-mixed-bf16 量化带来的内存效率提升和潜在性能优势，尤其是在使用 BFloat16 autocast 时。