目录

1.图算融合的背景

        1.1计算图和算子的认识

        1.2图算融合的优势

2.设计初心

        2.1图算融合概述

        2.2图算融合的设计初心

3.关键特性简介

        3.1统一图算前端表达

        3.2统一图算中间表达:算子白盒化

        3.3复用图层AD算法

                3.3.1自动生成反向算子

                3.3.2正反向算子的自动融合

        3.4 Bert上的图算融合

4.启方法汲编译流程演示

        4.1使用方法

                4.1.1样例脚本

        4.2自定义组合算子

                4.2.1样例脚本

5.实现过程小结

        5.1图算融合流程图

        5.2融合算子自动生成流程

        5.3小结

6.总结

1.图算融合的背景

1.1计算图和算子的认识

包括MindSpore在内的AI框架，不约而同都采用计算图实现网络结构的表达。所以也间接证明了计算图在AI框架中强大的生命力。

可以引用[tutorialspoint]中的一段话来介绍计算图：

A computational graph is defined as a directed graph where the nodes correspond to mathematical operations. Computational graphs are a way of expressing and evaluating a mathematical expression.

For example, here is a simple mathematical equation –

P = x + y

We can draw a computational graph of the above equation as follows.

总结来说，计算图是一个以算子（Operators）为节点的有向图所表达的计算函数。在AI框架里面，这个计算函数对输入tensor依次调用执行有向图中的算子节点，并得到最终的输出tensor。

引用Wikipedia来介绍一下算子：

In mathematics, an operation is a function which takes zero or more input values (called operands) to a well-defined output value. The number of operands is the arity of the operation.

所以，算子本质还是一个计算函数。在AI框架里面，这个计算函数还是对输入tensor依次进行若干内部处理，然后得到最终的输出tensor。

算子的内部处理：通过对大量的算子进行分析，会发现，绝大部分算子都是可以拆分为若干更为基本的算子组成的的子图，比如Sigmoid，其内部计算可以用如下计算图表示：

通过以上分析，不难发现，计算图和算子在计算本质上是一致的。算子是打包后的计算图，计算图是拆包后的算子。所以理论上，可以定义一个小规模的“基本算子”集合，然后通过一个或多个基本算子组合去等价表达任何的现有算子。从而进一步表达任意的现有计算图。

用小规模的“基本算子”集合就可以表达任意现有计算图，但是现有主流AI框架还要定义大量的、本来可以用基本算子等价实现的复合算子，其主要原因是相比多个基本算子组成的计算图，使用复合算子可以具有更好的计算和内存局部性，从而获得更好的执行性能。

因为对于基本算子计算图来说，相邻算子之间只能通过全局内存（或显存）进行数据传递。而对于复合算子来说，相邻的基本计算之间则可以通过局部内存或者寄存器进行数据传递。除了性能之外，在一些场景下，通过算子融合也能有效减少对全局内存的的实际占用。

1.2图算融合的优势

基于以上分析可见，相比复合算子，基本算子具有更好的通用组合表达能力，同时使得AI框架在算子支持方面更为精简。但相比基本算子，复合算子在性能方面存在优势。可以简单图示如下：

对于以上问题，通过某些技术同时兼顾计算性能和组合表达能力，或者更具体地，使得上图的“计算性能”线变为水平。

另一方面，在通过AI框架提供的算子表达计算网络时，通常是混合使用不同复合程度的算子。比如LayerNorm由12个基本算子组成，而Relu则只有1个基本算子。所以，对于这种不同复合程度的算子组成的计算图，从整体执行性能角度，可以将他们组合成更为合理的复合粒度算子，来获得最佳的整体计算图性能。

在TVM、XLA等自动算子编译技术出现之前，AI框架主流采用手工融合的方式解决如上问题。主要思路是：

• 识别常见的热点算子组合子图，比如：Add(Mul(x,y))。然后针对该算子子图手工实现对应融合算子；
• 将融合算子注册到AI框架，并在AI框架中增加对应的优化pass，将匹配的算子子图替换为融合算子节点。

这种方式的缺点是显而易见的。因为它只能针对若干热点场景进行融合，所以是无法做到通用和泛化的。基于以上问题背景，并结合MindSpore自身需求，我们提出图算融合解决方案。其主要思路是：

• 以通用的pattern识别计算图中的融合场景，并生成融合算子子图；
• 将生成的融合算子子图通过自动算子编译技术（AKG）生成对应的融合算子。

通过图算融合之后，用户在进行网络定义时，不管使用组合表达能力更强的基本算子，还是复合算子。最终都将通过图算融合重新组织和融合，并替换为最优复合粒度的融合算子。

2.设计初心

2.1图算融合概述

图算融合是MindSpore特有的网络性能优化技术。它可以通过自动分析和优化现有网络计算图逻辑，并结合目标硬件能力，对计算图进行计算化简和替代、算子拆分和融合、算子特例化编译等优化，以提升设备计算资源利用率，实现对网络性能的整体优化。相比传统优化技术，图算融合具有多算子跨边界联合优化、与算子编译跨层协同、基于Polyhedral的算子即时编译等独特优势。另外，图算融合只需要用户打开对应配置后，整个优化过程即可自动完成，不需要网络开发人员进行其它额外感知，使得用户可以聚焦网络算法实现。

图算融合的适用场景包括：

• 对网络执行时间具有较高性能要求的场景；
• 通过拼接基本算子实现自定义组合算子，并希望对这些基本算子进行自动融合，以提升自定义组合算子性能的场景。

MindSpore的三大特性：

开发态友好:

• 自动微分，网络+算子统一编程，函数式/算法原生表达，反向网络算子自动生成
• 自动并行，模型自动切分实现最优效率的模型并行
• 自动调优，动态图+静态图同套代码

运行态高效:

• On-Device执行，充分发挥异腾大算力
• Pipeline优化，最大化并行线性度
• 深度图优化，自适应硬件算力和精度

部署态灵活:

• 端-边-云按需协同计算，更好的保护隐私
• 端-边-云统一架构，实现按需部署

2.2图算融合的设计初心

图算融合的设计初心就是为了极简的算子表达和高效的自动融合，以下是设计初心的具体表述：

• 统一前端表达：当前算子与图层没有统一的前端表达，用户新增算子需要额外学习TBE DSL，门槛较高。希望提供种通过ME原语在Python像写网络一样定义算子的能力。
• 统一中间表达：当前算子与图层没有统一的中间表达，框架采取的均是提前写好硬件实现的算子并向框架注册算子。对于MSIR而言，每个算子的内部细节是不可知的，这样会丧失部分在图层进行细粒度跨算子编译优化的机会。同时也使得算子无法复用图层的通用优化。
• 泛化融合能力：当前框架采用的均是采用手写融合pattern，手写融合算子人工注册的方式实现算子融合，这样的方式效率低，需要消耗大量人力(~天/pattern)且不具备面尚用户多样化网络需求的泛化能力。因此需要提供可自动形成融合pattern和自动生成高性能融合算子的能力(~分/pattern)。

3.关键特性简介

3.1统一图算前端表达

前端：以定义原语的方式注册算子

后端需要：算子信息、算子DSL

使用图算方式定义算子

只需描述算子的计算意图，所有性能优化的问题(format、schedule、tiling、fusion)都交给编译框架。让定义算子这种让人秃头的工作也变得简单生动起来。

3.2统一图算中间表达:算子白盒化

在IR中原黑盒算子原语被函数子图替

打破算子和图层的信息边界

• 图层知道算子间的依赖关系
• 图层知道算子内的计算逻辑

产生更多优化机会

• 算子可复用图层的通用pass
• 跨算子的细粒度的融合优化

3.3复用图层AD算法

3.3.1自动生成反向算子

因为算子和图层统一使用MSIR表达，因此可以利用框架已有的自动求导的能力，对白盒算子进行自动求导。开发人员不用手动编写反向算子。

3.3.2正反向算子的自动融合

深度学习神经网络中算子的正反向经常有些相同的子计算，算子使用白盒表达后，就可以在图层自动分析消除正反算子中的相同的子计算。

自动发现细粒度的算子融合机会，更高效的利用片上内存，减少外存数据的搬移。3.4 Bert上的图算融合

在bert网络中虽然已经有很多定制的网络的pattern产生了定制融合算子，但是依然还有许多散落的基础黑盒算子，根据我们的融合算法产生了如下的融合pattern:

➢白加黑融合pattern：

➢黑加黑融合pattern：

➢融合后基础算子个数变化：

4.启用方法及编译流程演示

4.1使用方法

• MindSpore中的图算融合优化分布于网络图层编译和执行的多个步骤中，默认关闭状态，我们可以在训练脚本中为context指定参数enable_graph_kernel=True从而启用图算融合

• from mindspore import context
  
  context.set context(enable graph kernel=True)

• 通过定义继承与GraphKernel的子类定义图算融合的算子

4.1.1样例脚本

为了说明图算融合优化场景，构造了一个简单网络MyNet,包含一个乘法和加法计算。

在打开图算融合进行优化之后，这两个计算便会自动合成一个融合算子:

import numpy as np
import mindspore.context as context
from mindspore import Tensor
from mindspore.nn import Cell
import mindspore.ops as ops

context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE, device_target="GPU")
# save graph ir to view fusion detail.
context.set_context(save_graphs=True)
# enable graph kernel optimization.
context.set_context(enable_graph_kernel=True)

class MyNet(Cell):
    def __init__(self):
        super(MyNet, self).__init__()
        self.add = ops.Add()
        self.mul = ops.Mul()

    def construct(self, x):
        a = self.mul(x, 2.0)
        res = self.add(a, 1.0)
        return res

x = np.ones((4, 4)).astype(np.float32) * 0.5
net = MyNet()
result = net(Tensor(x))
print("result: {}".format(result))

输出结果：

result: [[2. 2. 2. 2.]
 [2. 2. 2. 2.]
 [2. 2. 2. 2.]
 [2. 2. 2. 2.]]

该计算图的融合结果如图1所示，其中左图为未使能图算融合时的对应计算图，右图为使能图算融合后的对应计算图。可以看到该网络中的加法和乘法被融合成一个算子。该融合过程可以通过查看中间IR，或者通过Profiling等工具跟踪算子执行过程进行验证。

4.2自定义组合算子

基于图算融合技术，用户可以很方便地实现高性能的自定义组合算子。相比其它自定义算子方式，这种方式具有对框架无侵入、简单易用等优点。

其主要流程为：

(1) 在脚本中用基本算子组合的方式实现自定义算子定义和使用；

(2) 打开图算融合配置；

(3) 图算融合对自定义组合算子中的基本算子自动进行算子融合，并生成高性能融合算子。

4.2.1样例脚本

构造一个简单网络MyNet，并在其中使用了自定义算子MyOp。

代码样例如下:

import numpy as np
import mindspore.context as context
from mindspore import Tensor
from mindspore.nn import Cell
import mindspore.ops.operations as P

context.set_context(mode=context.GRAPH_MODE, device_target="GPU")
# enable graph kernel optimization.
context.set_context(enable_graph_kernel=True)

class MyOp(Cell):
    """ my first custom OP composited by basic OPs """
    def __init__(self):
        super(MyOp, self).__init__()
        self.sub = P.Sub()
        self.mul = P.Mul()

    def construct(self, x, y):
        a = self.sub(x, y)
        return self.mul(a, x)

class MyNet(Cell):
    def __init__(self):
        super(MyNet, self).__init__()
        self.mul = P.Mul()
        self.pow = P.Pow()
        self.my_op = MyOp()

    def construct(self, x, y):
        a = self.mul(x, 2.0)
        b = self.pow(a, 3.0)
        res = self.my_op(b, y)
        return res

x = np.ones((4, 4)).astype(np.float32) * 0.2
y = np.ones((4, 4)).astype(np.float32) * 0.3
net = MyNet()
result = net(Tensor(x), Tensor(y))
print("result: {}".format(result))

输出结果：

result: [[-0.015104 -0.015104 -0.015104 -0.015104]
 [-0.015104 -0.015104 -0.015104 -0.015104]
 [-0.015104 -0.015104 -0.015104 -0.015104]
 [-0.015104 -0.015104 -0.015104 -0.015104]]

该计算图的融合结果如图2所示，其中左图为未使能图算融合时的对应计算图，右图为使能图算融合后的对应计算图。可以看到不仅自定义算子MyOp中的基本算子进行了融合，并且与主图中的其他算子也进行了更大范围融合。该融合过程可以通过查看中间IR，或者通过Profiling等工具跟踪算子执行过程进行验

5.实现过程小结

5.1图算融合流程图

5.2融合算子自动生成流程

5.3小结

图算融合提供了一种简洁的算子前端表达方式。使用户可以在Python像写网络一样定义算子，仅需描述计算诉求，无需考虑性能优化问题。

• 定义算子效率提升10X，代码量：百行—>十行

图算融合提供了图层和算子的统的中间表达方式。使得算子可以复用图层的通用优化，同时打破了图层与算子之间的信息边界，创造出跨算子的优化机会。

• 自动生成反向算子
• 自动实现跨算子优化

图算融合提供了一种泛化的算子融合能力。对多样化的用户网络可提供种通用的融合能力，更充分地释放AI算力。

• 融合算子效率提升100X，人工定义—>自动发现、自动融合

6.总结

在MindSpore中，通过白盒化算子，初步打开了图算这一扇门。既提供了图算一体的DSL表达能力，又打开了图算混合优化的大门，借此打破了算子边界。可能多年以后，当AI遍布生活生产的每个角落，MindSpore这样的深度学习框架会成为一种必不可少，且每个人都能用的AI操作系统，它也就成为我们生活的一部分。

MindSpore致力于AI开发生态的繁荣，开源开放可扩展的架构，有助力于开发者灵活扩展第三方框架、第三方芯片支持能力，让开发者实现各种定制化需求。MindSpore将在门户网站、开源社区提供更多学习资源、支持与服务。

我相信未来，也相信MindSpore！

本文参与华为云社区【内容共创】活动第19期。

https://bbs.huaweicloud.cn/blogs/370132

任务26：MindSpore图算融合，打破算子边界