昇思25天学习打卡营第9天|MindSpore静态图加速

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AI编译框架运行模式

动态图模式PyNative

手动控制动态图运行示例-全局context

静态图模式Graph

手动控制静态图运行示例-全局context

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jit 装饰器加速图编译-例

jit函数变换方式加速图编译-例

jit 加速某个部分的神经网络模块-例

静态图的语法约束

AI编译框架运行模式

AI编译框架分为两种运行模式，分别是动态图模式以及静态图模式。MindSpore默认情况下以动态图模式运行，也支持手工切换为静态图模式。

MindSpore提供了两种切换为图模式的方式，分别是基于装饰器的开启方式以及基于全局context的开启方式。

其中，MindSpore提供的 jit 装饰器可以通过修饰Python函数或者Python类的成员函数使其被编译成计算图，通过图优化等技术提高运行速度。此时模型的其他部分，仍旧使用解释执行方式，不丢失动态图的灵活性。

见下面各个截图运行时间对比，静态图模式下，程序运行时间是8.5秒左右，而动态图程序运行时间不超过0.05秒

动态图模式PyNative

特点：

• 计算图的构建和计算同时发生（Define by run）：即，定义tensor时，其值就已经被计算确定。
• 调试模型更方便。
• 难以对整个计算图进行优化。
• 运行时间更短。

手动控制动态图运行示例-全局context

import time
import numpy as np
import mindspore as ms
from mindspore import nn, Tensor# 记录开始时间
start_time = time.time()
ms.set_context(mode=ms.PYNATIVE_MODE)  # 使用set_context进行动态图模式的配置class Network(nn.Cell):def __init__(self):super().__init__()self.flatten = nn.Flatten()self.dense_relu_sequential = nn.SequentialCell(nn.Dense(28*28, 512),nn.ReLU(),nn.Dense(512, 512),nn.ReLU(),nn.Dense(512, 10))def construct(self, x):x = self.flatten(x)logits = self.dense_relu_sequential(x)return logitsmodel = Network()
input = Tensor(np.ones([64, 1, 28, 28]).astype(np.float32))
output = model(input)
# 记录结束时间
end_time = time.time()
# 计算时间差
time_difference = end_time - start_time
print(f"程序运行耗时: {time_difference} 秒")print(np.shape(output))
print(output) 

执行输出：

静态图模式Graph

静态图语法支持 — MindSpore master 文档

特点：

• 计算图的构建和实际计算分开（Define and run）
• 编译器可以针对图进行全局的优化，获得较好的性能
• 适合网络固定且需要高性能的场景；使用MindSpore API以及基于Tensor对象的操作更适合使用静态图编译优化。
• 静态图模式先编译后执行的模式导致其存在编译耗时。如果函数无需反复执行，那么使用静态图加速也可能没有价值。

手动控制静态图运行示例-全局context

import numpy as np
import mindspore as ms
from mindspore import nn, Tensor
import time 
# 记录开始时间
start_time = time.time()
ms.set_context(mode=ms.GRAPH_MODE)  # 使用set_context进行运行静态图模式的配置class Network(nn.Cell):def __init__(self):super().__init__()self.flatten = nn.Flatten()self.dense_relu_sequential = nn.SequentialCell(nn.Dense(28*28, 512),nn.ReLU(),nn.Dense(512, 512),nn.ReLU(),nn.Dense(512, 10))def construct(self, x):x = self.flatten(x)logits = self.dense_relu_sequential(x)return logitsmodel = Network()
input = Tensor(np.ones([64, 1, 28, 28]).astype(np.float32))
output = model(input)
# 记录结束时间
end_time = time.time()
# 计算时间差
time_difference = end_time - start_time
print(f"程序运行耗时: {time_difference} 秒")print(np.shape(output))
print(output)

执行输出

jit 装饰器加速图编译-例

import numpy as np
import mindspore as ms
from mindspore import nn, Tensorclass Network(nn.Cell):def __init__(self):super().__init__()self.flatten = nn.Flatten()self.dense_relu_sequential = nn.SequentialCell(nn.Dense(28*28, 512),nn.ReLU(),nn.Dense(512, 512),nn.ReLU(),nn.Dense(512, 10))def construct(self, x):x = self.flatten(x)logits = self.dense_relu_sequential(x)return logitsinput = Tensor(np.ones([64, 1, 28, 28]).astype(np.float32))@ms.jit  # 使用ms.jit装饰器，使被装饰的函数以静态图模式运行
def run(x):model = Network()return model(x)output = run(input)
print(output)

运行输出

jit函数变换方式加速图编译-例

import numpy as np
import mindspore as ms
from mindspore import nn, Tensorclass Network(nn.Cell):def __init__(self):super().__init__()self.flatten = nn.Flatten()self.dense_relu_sequential = nn.SequentialCell(nn.Dense(28*28, 512),nn.ReLU(),nn.Dense(512, 512),nn.ReLU(),nn.Dense(512, 10))def construct(self, x):x = self.flatten(x)logits = self.dense_relu_sequential(x)return logitsinput = Tensor(np.ones([64, 1, 28, 28]).astype(np.float32))def run(x):model = Network()return model(x)run_with_jit = ms.jit(run)  # 通过调用jit将函数转换为以静态图方式执行
output = run(input)
print(output)

运行输出

jit 加速某个部分的神经网络模块-例

用静态图来进行 网络构建 编译如下图，construct意为神经网络（计算图）构建，相关内容详见使用静态图加速。

import numpy as np
import mindspore as ms
from mindspore import nn, Tensorclass Network(nn.Cell):def __init__(self):super().__init__()self.flatten = nn.Flatten()self.dense_relu_sequential = nn.SequentialCell(nn.Dense(28*28, 512),nn.ReLU(),nn.Dense(512, 512),nn.ReLU(),nn.Dense(512, 10))@ms.jit  # 使用ms.jit装饰器，使被装饰的函数以静态图模式运行def construct(self, x):x = self.flatten(x)logits = self.dense_relu_sequential(x)return logitsinput = Tensor(np.ones([64, 1, 28, 28]).astype(np.float32))
model = Network()
output = model(input)
print(output)

运行输出

静态图的语法约束

在Graph模式下，python编译器不执行python代码，而将Python代码代码编译成静态计算图，然后执行静态计算图。在静态图模式下，MindSpore通过源码转换的方式，将Python的源码转换成中间表达IR（Intermediate Representation），并在此基础上对IR图进行优化，最终在硬件设备上执行优化后的图。MindSpore使用基于图表示的函数式IR，称为MindIR，详情可参考中间表示MindIR。

因此，编译器无法支持全量的Python语法。MindSpore的静态图编译器维护了Python常用语法子集，以支持神经网络的构建及训练。详情可参考静态图语法支持。

在图模式下，可以通过使用JitConfig配置选项来一定程度的自定义编译流程，目前JitConfig支持的配置参数如下：

• jit_level: 用于控制优化等级。
• exec_mode: 用于控制模型执行方式。
• jit_syntax_level: 设置静态图语法支持级别，详细介绍请见静态图语法支持。 

使用静态图高级编程技巧可以有效地提高编译效率以及执行效率，并可以使程序运行的更加稳定。详情可参考静态图高级编程技巧。