前言
模型大小评估指标
- 计算量
- 参数量
- 访存量
- 内存占用
- 小结
- 模型推理影响因素
- 计算密度与 RoofLine 模型
- 计算密集型算子与访存密集型选自
- 推理时间
- 硬件限制对性能上界的影响
- 系统环境对性能的影响
- 小结
- 面向推理速度的模型设计
- 方法论
- 网络设计建议
前言
在运算资源有限制的机器上部署深度学习模型，需要了解模型大小和模型推理速度的关系，设计能发挥硬件计算能力的模型结构。而衡量模型大小和模型推理速度关系往往跟计算量、参数量、访存量、内存占用等指标密切相关。因此本博客对这些指标进行分析，介绍这些指标对模型部署推理的影响。本篇博客主要参考：深度学习模型大小与模型推理速度的探讨
模型大小评估指标
计算量
计算量是模型所需的计算次数，反映了模型对硬件计算单元的需求。计算量一般用FLOPs（Floating Point Operations）即浮点次数表示。模型的整体计算量等于模型中每个算子的计算量之和。对于卷积而言，计算量公式为：
参数量
参数量是模型中参数的总和，与模型占用磁盘空间大小直接相关。对于卷积神经网络而言，参数量主要与卷积层和全连接层的权重组成。参数量往往是被算作访存量的一部分，因此参数量不直接影响模型推理性能。但是参数量一方面会影响内存占用，另一方面也会影响程序初始化时间。另一方面参数量对软件包大小也会有影响。减少软件包大小可以通过设计一些高效简单模型，另一方面可以通过模型压缩方式，如Protobuf对模型进行高效编码进行压缩。 参数量在Tensorflow里面通过model.summary()即可打印出参数量信息。
访存量
访存量是指模型计算时所需访问存储单元的字节大小，反映了模型对存储单元带宽的需求。访存量一般用 Bytes（或者 KB/MB/GB）来表示，即模型计算到底需要存/取多少 Bytes 的数据。和计算量一样，模型整体访存量等于模型各个算子的访存量之和。
内存占用
内存占用是指模型运行时，所占用的内存/显存大小。一般有工程意义的是最大内存占用，当然有的场景下会使用平均内存占用。和参数量一样，内存占用不会直接影响推理速度，往往算作访存量的一部分。但在同一平台上有多个任务并发的环境下，如推理服务器、车载平台、手机 APP，往往要求内存占用可控。可控一方面是指内存/显存占用量，如果占用太多，其他任务就无法在平台上运行；另一方面是指内存/显存的占用量不会大幅波动，影响其他任务的可用性。
小结
计算量、参数量、访存量、内存占用从不同维度定义了模型的大小，应根据不同的场合选用合适的指标进行评价。模型推理速度不单单受模型计算量的影响，也与访存量和一些其他因素息息相关。
模型在特定硬件上的推理速度，除了受计算量影响外，还会受访存量、硬件特性、软件实现、系统环境等诸多因素影响，呈现出复杂的特性。因此，在手头有硬件且测试方便的情况下，实测是最准确的性能评估方式。
模型推理影响因素
计算密度与 RoofLine 模型
计算密度是指一个程序在单位访存量下所需的计算量，单位是 FLOPs/Byte。其计算公式很简单，很多教材、资料里也称之为计算访存比，用于反映一个程序相对于访存来说计算的密集程度：当程序的计算密度I较小时，程序访存多而计算少，性能受内存带宽限制，称为访存密集型程序。反之如果计算密度I较大，程序性能受硬件最大计算峰值（下文简称为算力）限制，称为计算密集型程序。
计算密集型算子与访存密集型选自
网络中的算子可以根据计算密度进行分类。一般来讲，Conv、FC、Deconv 算子属于计算密集型算子；ReLU、EltWise Add、Concat 等属于访存密集型算子。同一个算子也会因参数的不同而导致计算密度变化，甚至改变性质，比如在其他参数不变的前提下，增大 Conv 的 group，或者减小 Conv 的 input channel 都会减小计算密度。
在不同参数下卷积算子的计算密度有很大的差异。第 4 个算子 Depthwise Conv 计算密度仅有 2.346，在当下的很多设备上都属于访存密集型算子。算子的计算密度越大，约有可能提升硬件的计算效率，充分发挥硬件性能。
推理时间
按照 RoofLine 模型，算子的实际执行时间：
则有：
对于访存密集型算子，推理时间跟访存量呈线性关系，而对于计算密集型算子，推理时间跟计算量呈线性关系。按照 RoofLine 模型，在计算密集区，计算量越小，确实推理时间越小。但是在访存密集区，计算量与推理时间没关系，真正起作用的是访存量，访存量越小，推理的时间才越快。在全局上，计算量和推理时间并非具有线性关系。
硬件限制对性能上界的影响
前面 RoofLine 模型使用的峰值算力及内存带宽，是根据纸面数据计算得到的，是理论上的最大值。但在实际情况下，硬件会因为种种原因，无法达到这个理论值。因此建议大家对硬件进行micro-benchmark，以获取硬件的真实性能上限。
系统环境对性能的影响
小结
计算量并不能单独用来评估模型的推理时间，还必须结合硬件特性（算力&带宽），以及访存量来进行综合评估。并非是计算量越低模型推理越快。在评价模型大小时，也建议加上访存量作为重要的评价指标。 除了峰值算力和内存带宽之外，还有硬件限制、系统环境、软件实现等诸多因素会影响程序的实际性能，使得其非线性特性更加严重。因此 RoofLine 模型仅仅只能提供一个性能上界的评估方式，并不代表能够达到的实际性能。实际性能最准确的测量方式只有真机实测。RoofLine 模型仅能用于估计模型所能达到的性能上界，而实际部署时，还会受硬件限制、系统环境、软件实现等因素的影响，导致无法达到 RoofLine 模型所定义的性能上界。
面向推理速度的模型设计
以下建议摘自：深度学习模型大小与模型推理速度的探讨。
方法论
- 了解目标硬件的峰值算力和内存带宽，最好是实测值，用于指导网络设计和算子参数选择。
- 明确测试环境和实际部署环境的差异，最好能够在实际部署环境下测试性能，或者在测试环境下模拟实际部署环境。
- 针对不同的硬件平台，可以设计不同计算密度的网络，以在各个平台上充分发挥硬件计算能力（虽然工作量可能会翻好几倍【捂脸）。
- 除了使用计算量来表示/对比模型大小外，建议引入访存量、特定平台执行时间，来综合反映模型大小。
- 实测是最准确的性能评估方式，如果有条件快速实测的话，建议以实测与理论分析相结合的方式设计并迭代网络。
- 遇到性能问题时，可以逐层 profiling，并与部署/优化同学保持紧密沟通，具体问题具体分析（适当了解一下计算相关理论的话，可以更高效的沟通）。
网络设计建议
- 对于低算力平台（CPU、低端 GPU 等），模型很容易受限于硬件计算能力，因此可以采用计算量低的网络来降低推理时间。
- 对于高算力平台（GPU、DSP 等），一味降低计算量来降低推理时间就并不可取了，往往更需要关注访存量。单纯降低计算量，很容易导致网络落到硬件的访存密集区，导致推理时间与计算量不成线性关系，反而跟访存量呈强相关（而这类硬件往往内存弱于计算）。相对于低计算密度网络而言，高计算密度网络有可能因为硬件效率更高，耗时不变乃至于更短。
- 面向推理性能设计网络结构时，尽量采用经典结构，大部分框架会对这类结构进行图优化，能够有效减少计算量与访存量。例如 Conv->BN->ReLU 就会融合成一个算子，但 Conv->ReLU->BN 就无法直接融合 BN 层
- 算子的参数尽量使用常用配置，如 Conv 尽量使用 3x3_s1/s2、1x1_s1/s2 等，软件会对这些特殊参数做特殊优化。
- CNN 网络 channel 数尽量选择 4/8/16/32 的幂次，很多框架的很多算子实现在这样的 channel 数下效果更好（具体用多少不同平台不同框架不太一样）。
- 框架除了计算耗时外，也处理网络拓扑、内存池、线程池等开销，这些开销跟网络层数成正比。因此相比于“大而浅”的网络，“小而深”的网络这部分开销更大。一般情况下这部分开销占比不大。但在网络算子非常碎、层数非常多的时候，这部分开销有可能会影响多线程的扩展性，乃至于成为不可忽视的耗时因素。
- 除了优化网络结构、推理框架性能外，还可以考虑通过一些其他工程技巧来提升系统整体的性能。例如：对推理服务流水化，并行数据读取与计算的过程，掩盖 IO 延时。
关于实际工程部署，有一些技巧/注意的点可以保证不浪费访存量：
- channel 数尽量保持在 4/8/16/32 的倍数，不要设计 channel = 23 这种结构。目前大部分推理框架为了加速计算，都会用特殊的数据排布，channel 会向上 pad。比如框架会把 channel pad 到 4 的倍数，那么 channel = 23 和 24 在访存量上其实是一致的。
- 一些非常细碎乃至毫无意义的后处理算子，例如 Gather、Squeeze、Unsqueeze 等，最好给融合掉。这种现象往往见于 PyTorch 导出 onnx 的时候，可以尝试使用 onnxsim 等工具来进行融合，或者手动添加大算子。
- 尝试一些部署无感的技巧，例如蒸馏、RepVGG等。
