Deep Learning Inference Benchmark — измеряем скорость работы моделей глубокого обучения

Перед разработчиками встает задача определения производительности железа в задаче исполнения глубоких моделей. Например, хочется решить проблему анализа пола-возраста покупателей, которые заходят в магазин, чтобы в зависимости от этого менять оформление магазина или наполнение товаром. Вы уже знаете какие модели хотите использовать в вашем ПО, но до конца не понятно как выбрать железо. Можно выбрать самый топ и переплачивать как за простаивающие мощности, так и за электроэнергию. Можно взять самый дешевый i3 и потом вдруг окажется, что он может вывезти каскад из нескольких глубоких моделей на 8 камерах. А может быть камера всего одна, и для решения задачи достаточно Raspberry Pi с Movidius Neural Compute Stick? Поэтому хочется иметь инструмент для оценки скорости работы вашего инференса на разном железе, причем еще до начала обучения.

В целом можно выделить три направления работы с глубокими моделями:

1. Обучение. На обучение глубоких моделей уходит требуется много, очень много, а иногда и очень-очень много вычислительной мощности. Начиная с первой ласточки AlexNet (61 миллион параметров), и заканчивая GPT-3 с 175 миллиардами параметров.
2. Transfer Learning. Берем существующую модель (как правило решающую задачу классификации), и используем ее в качестве основы для собственной модели. Количество ресурсов для дообучения или переобучения можно значительно уменьшить по сравнению с обучением с нуля.
3. Использование моделей глубокого обучения в работе (Inference). Для использования глубоких моделей в прикладных задачах требуется минимизировать использование ресурсов. Решается это различными способами: использование оптимизированных библиотек, которые максимально плотно заполняют конвейер процессора вычислениями; конвертация параметров модели из fp32 в fp16, int8 или даже int1; использование специализированных ускорителей (GPU, TPU, FPGA, нейронные сопроцессоры).

Общую схему решения задач с использованием глубокого обучения можно представить следующим образом:

Из лекции курса по современным методам и технологиям глубокого обучения в компьютерном зрении

Как правило, требования по скорости заложены еще на этапе постановки задачи, и хочется еще до начала обучения или дообучения узнать "уложится" или нет предполагаемая модель в доступные для инференса ресурсы. И для решения этой задачи был создан DLI benchmark.

DLI benchmark

В рамках лаборатории ITLab студентами ННГУ им. Н.И.Лобачевского был разработан открытый фреймворк DLI (https://github.com/itlab-vision/dl-benchmark), который позволяет запустить измерение производительности большого количества разных моделей на доступном железе.

Основные требования, которые были заложены на этапе разработки:

1. Измерять время работы того, как модель будет работать в реальном Python приложении.
   Мы включили в подсчет времени собственно исполнение модели и копирование обрабатываемых данных из python в библиотеку инференса (это может показать влияние на маленьких моделях).
2. Обладать модульной архитектурой, чтобы иметь возможность включать в тестирование новые фреймворки, новые модели, новое железо.

Архитектура фреймворка

1. Target Hardware — устройства для выполнения замеров. Предполагается, что на этом компьютере установлено необходимое программное обеспечение (сейчас это делается в Docker) и подготовлен набор моделей для тестирования.
2. FTP-сервер — хранит конфигурации тестов для каждого тестируемого устройства и результаты измерений.
3. Integrator — это компонент, предназначенный для сбора результатов производительности.

Схема со страницы проекта

Алгоритм работы DLI-benchmark:

1. Интегратор создает структуру каталогов на FTP-сервере и генерирует файлы конфигурации тестов для инференса на доступных машинах
2. Интегратор запускает анализ производительности на каждом устройстве. Анализ производительности на конкретном устройстве включает получение файла конфигурации тестов и последовательное выполнение тестов для каждой модели в отдельном процессе. Измерения производительности собираются во время тестов.
3. По завершении тестов результаты производительности копируются из FTP-сервер.
4. После того, как бенчмарк завершит все тесты на всём оборудовании, полученные результаты сохраняются в виде csv-таблицы, которая автоматически конвертируется в html-страницу для сайта проекта.

Типы экспериментов

В целом разработчикам привычен синхронный вариант работы программы, когда сначала читается картинка из файла, масштабируется под размер входа сети, вызывается функция run или forward, и цикл начинается сначала.

При обработке картинок по одной вычислительное устройство очень часто недогружено. Можно подать два изображения одной пачкой (batch=2), тогда они обработаются быстрее чем два изображения по отдельности. При увеличении размера пачки производительность сначала начнет расти, а потом падать, и определить лучший размер пачки весьма полезно.

В современных фреймворках поддерживается асинхронный режим работы, когда не нужно дожидаться конца обработки предыдущего изображения, можно новую картинку начать обрабатывать сразу после поступления. При использовании асинхронного API в OpenVINO можно создавать реквесты по 1 картинке независимо и при этом получать по прежнему высокую производительность и при этом низкие задержки. Возможность получать высокую производительность, сохраняя при этом низкие задержки, открывает новые возможности для инференса глубоких моделей на многосокетных высокопроизводительных системах.

Метрики производительности

• Латентность или задержка (Latency) — медианное время обработки одной пачки картинок.
• Среднее время одного прохода (Average time of a single pass) — отношение общего времени обработки всех пачек к числу итераций цикла тестирования.
• Среднее количество кадров, обрабатываемых за секунду (Frames per Second, FPS) — отношение размера пачки изображений к латентности.

В случае когда мы можем подавать несколько картинок независимо друг от друга (асинхронный запуск на обработку), мы используем другие метрики производительности.

• Среднее время одного прохода (Average time of a single pass) — отношение времени обработки всех пачек к количеству итераций цикла тестирования. Представляет собой время выполнения одновременно созданных пачек на устройстве.
• Среднее количество кадров, обрабатываемых за секунду (Frames per Second, FPS) — отношение произведения размера пачки изображений и числа итераций ко времени обработки всех пачек.

Анализ результатов

В ходе экспериментов мы попробовали бенчмарк на различном оборудовании: CPU i7-7700K, i5-8600K, i3-7100, i7-8700, i3-8100, GPU Intel HD Graphics 630, Intel Neural Compute Stick 2.

Пока опубликовали результаты только для фреймворка OpenVINO. Докеры бенчмарка с Caffe, TensofFlow и PyTorch в разработке.

Для демонстрации примеров работы возьмем модель ResNet-152 — это очень объемная модель, которая решает задачу классификации ImageNet.

На графике ниже представлена время обработки одной пачки картинок в различных режимах. На данном графике по оси X отложено количество потоков процессора, которые были использованы для обработки изображений, а по оси Y — среднее время обработки (или задержка, latency) одной пачки изображений. На этом графике мы видим, что при удвоении использованных потоков скорость обработки увеличивается примерно в два раза — это означает отличную параллеллизацию в обработке изображений. Что важно, параллелизация показывает хорошие результаты и для большой пачки картинок, и для одиночной картинки.

Чтобы посчитать FPS (сколько в среднем картинок в секунду обработает процессор в каждом режиме работы) нужно количество картинок в пачке разделить на время обработки одной пачки. Эти данные мы приведем в таблице ниже.

Взглянув на эти цифры, мы видим, что если мы будем использовать все 6 ядер процессора, что при обработке картинок пачками по 8 штук производительность возрастает на 20% из-за более плотной упаковки вычислений. Но в прикладном ПО не слишком хочется писать дополнительные функции, чтобы собирать картинки в пачки, да и задержки тогда возрастают…

В этом случае нам на помощь приходит асинхронный запуск нескольких картинок на обработку! OpenVINO поддерживает возможность не собирать из картинок большую пачку, а подавать картинки независимо друг от друга не дожидаясь завершения обработки предыдущей. В данном режиме вы задаете в программе количество "стримов" (это не поток процессора; это сущность, которая захватывает один или несколько потоков процессора и обрабатывает в себе картинку), и можете независимо запускать на обработку картинки по мере поступления.

С использованием OpenVINO в асинхронном режиме с размером пачки в 1 картинку мы почти достигаем производительности, полученной в синхронном режиме с размером пачки 8, при этом почти не меняя код запуска моделей.

Результаты производительности 63 моделей на CPU, Intel GPU и Intel Neural Compute Stick 2 собраны в HTML-таблиц, посмотреть их можно здесь:
http://hpc-education.unn.ru/en/dli
Пока мы измеряли только производительность моделей, сконвертированных в OpenVINO. Уже пишется код для тестирования моделей Caffe, и в разработке другие библиотеки глубокого обучения.

Кустикова Валентина, Васильев Евгений, Хватов Александр, Кумбрасьев Павел
Изображения в статье взяты из публикации: Kustikova V., Vasilyev E., Khvatov A., Kumbrasiev P., Rybkin R., Kogteva N. DLI: Deep Learning Inference Benchmark // Communications in Computer and Information Science. V. 1129. 2019. P. 542-553. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-36592-9_44