@Team 2019-11-01T21:00:15.000000Z 字数 6809 阅读 3278

《从零开始学习自然语言处理(NLP)》-BERT模型推理加速总结（5）

刘才权

1 BERT模型介绍

BERT是NLP任务的集大成者。发布时，在GLUE 上的效果排名第一。
在语义表征方面
将基于浅层语义表征的词向量，加强为深层语义特征向量。同时，引入上下文特征，解决了词向量一词多义的问题。
在知识迁移方面
能够在海量的无监督文本训练语料中，有效的抽取语义特征。Pre-Train+Fine-Turning的模式下，非常实用。
在计算效率方面
BERT基于Transformer实现，采用self-attention机制，采用并行的矩阵运算，替代RNN的串行执行，有效提升模型计算效率。
在任务设计方面
BERT提供了分类、相似度计算（也是一种分类）、序列标注等NLP任务模板，基本覆盖了NLP任务的大多数模型应用场景。
具体的BERT介绍可以参考Google的论文：《BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding》
在学习BERT之前，建议先熟悉Transformer，具体可以参考Google论文：《Attention Is All You Need》
直接看论文可能不好理解，建议先参考网上的Blog：
图解Transformer：《The Illustrated Transformer》
图解BERT：《The Illustrated BERT, ELMo, and co. (How NLP Cracked Transfer Learning)》
很多国内的博客都是上面两篇博客的翻译或者引用。
BERT在NLP预训练领域确实有里程碑的意义，这篇博客做了不错的总结：《从Word Embedding到Bert模型—自然语言处理中的预训练技术发展史》

2 BERT模型的困境

虽然BERT有各种优点，在项目落地上却存在缺陷：计算复杂度过高。通过BERT模型的参数量，感受下：
BERT参数量
数据来源：https://github.com/NVIDIA/DeepLearningExamples/tree/master/TensorFlow/LanguageModeling/BERT
针对BERT模型，我们从预训练（Pre-train）、Fine-tuning、推理三个维度来看模型的计算耗时。
模型训练（Pre-train）时间：
Pre-train时间
数据来源：https://github.com/NVIDIA/DeepLearningExamples/tree/master/TensorFlow/LanguageModeling/BERT
Fine-tuning时间：

模型推理时间：

数据来源：https://github.com/NVIDIA/DeepLearningExamples/tree/master/TensorFlow/LanguageModeling/BERT
从上面的数据来看，预训练（Pre-train）要求的计算资源最大，耗时最长。自己做预训练相对较难。还好Google提供预训练模型（包括中文的预训练模型），git地址：https://github.com/google-research/bert
如果，计算资源充裕，可以使用自己的语料进行预训练，从实际的项目经验反馈来看，用自己的业务相关语料进行预训练，对模型的最终效果，相对于使用Google通用的预训练模型，有小幅提升。
Fine-tuning的计算在实际项目应用中基本可以接受，这里不做特别的深入。
最后需要关注的就是模型推理，而这也是服务上线最需要关注的。后面我们的分析重点，也集中在如何提升BERT模型的推理效率。

3 BERT模型推理加速方案汇总

BERT的模型优化方案，大概有下面几个方面：

3.1 编译优化

这里的编译优化主要指计算框架自身的编译优化，以TensorFlow的XLA为例，
xla编译优化
数据来源：https://www.tensorflow.org/xla
从实际的数据来看，TensorFlow的XLA优化能力有限，>1.15倍。

3.2 知识蒸馏

知识蒸馏是一个不错的模型压缩方案，通过小模型（student）来学习大模型（teacher）的能力。但一般来说，通过蒸馏获得小模型，相对于原来的小模型有算法效果提升，但不能保证能完全达到大模型（teacher）的效果。
TinyBERT就是使用了这种思路，具体可以参考paper《TinyBERT: Distilling BERT for Natural Language Understanding》

3.3 混合精度（Nvidia-TensorCore）

一般模型的参数使用FP32（单精度）进行保存和计算。特定的计算平台，比如英伟达的P100，可以使用单个的FP32寄存器，缓存两个FP16（半精度）变量，并进行并行计算，参考《Nvidia GPU的浮点计算能力》。

同时，英伟达的瓦特架构（Tesla V100）和图灵架构（Tesla T4）有TensorCore计算单元，可以同时完成混合精度矩阵的乘加运算。具体可以参考《Video Series: Mixed-Precision Training Techniques Using Tensor Cores for Deep Learning》。

将模型中的FP32变量替换成FP16，可以有效的压缩模型大小，同时，可以提升模型的训练及推理速度。但对模型效果会不会有影响呢？答案，肯定是不会的。具体原因可以参考这篇paper《Mixed Precision Training》。
文章主要提了三个方法：
1 FP32 MASTER COPY OF WEIGHTS

简单的说就是把FP32的变量先拷贝一份，然后把所有的变量都量化成FP16。在前向和反向计算时都使用FP16，只是在最后更新参数时转化为FP32。
这样做也很好理解，更新参数时，一方面，会进行整个batch参数相加（然后取均值），转化成FP32避免向上溢出；另一方面，非常小的梯度会乘以学习率（一般<1），转化成FP32避免向下溢出。
2 LOSS SCALING
就是计算梯度时，梯度一般都会非常小，这里将梯度先乘以一个较大的系数进行放大，避免反向传播发生下溢出，最终再除以一个相同系数进行缩小，恢复正常值，从而在FP16精度的情况下，完成计算。
3 ARITHMETIC PRECISION
这里其实就是介绍了下英伟达的专用硬件模块TensorCore，可以同时完成混合精度的矩阵乘加运算。
ps：这篇paper的作者来自百度和英伟达。
在Nvidia平台上，使用混合精度也非常方便，TensorFlow直接集成了Nvidia的混合精度特性，具体操作如下：
混精操作
参考《Automatic Mixed Precision for Deep Learning》

3.4 Nvidia-编译优化（TensorRT）

除了TensorFlow自己的XLA优化编译之外，Nvidia推出了自己的模型编译优化方案TensorRT。XLA完成的是通用平台的模型压缩和剪枝优化编译，TensorRT更侧重跟自家平台的结合。
在Nvidia的GPU平台上TensorRT应该比XLA有更好的优化效果。TensorRT其实是一个较大的工具体系，混合精度、模型优化编译、自定义Plugin、TensorRT Serving都是它的组成部分。所以，不要单纯的理解TensorRT只是用来做编译优化的。

3.5 Nvidia-Batch合并（TensorRT Inference Serving）

Batch合并操作充分利用了计算平台并行计算的能力。假设有8个请求，一种方式是每个请求顺序发给模型，然后，串行获取结果；另一种是8个请求合并成一个batch请求模型，然后，并行获取结果。在GPU这样的并行计算平台，后者的计算效率更高。
TensorRT Inference Serving就是利用这个特点，在可容忍的时间相应时间内，尽量合并请求，进行batch处理，从而，提升服务的吞吐量。这是BERT模型在TensorRT Inference Serving的表现：

数据来源：https://github.com/NVIDIA/DeepLearningExamples/tree/master/TensorFlow/LanguageModeling/BERT
使用TensorRT Inference Serving后，服务的吞吐量有明显的提升。

3.6 Nvidia-自定义Plugin（TensorRT）

Plugin的意思是指模型中的特定计算操作。可以是重写TensorFlow中的算子（如softmax操作），也可以是自定义的矩阵乘加运算。TensorRT提供了C++和Python层的接口，可以进行自定义Plugin的编写。
这些自定义的操作，一方面，可以充分利用Nvidia GPU的计算特性；另一方面，在网络编译优化阶段也会有更好的效果。TensorRT的具体使用可以参考《TensorRT Developer Guide》。
这部分会是BERT性能优化最大的地方，后面的内容会围绕这一点重点展开。

4 BERT模型推理加速优化实践

Nvidia对BERT加速做了专门的工作，也获得不不错的效果，先看结果感受下：
BERT模型推理加速优化实践
数据来源：https://devblogs.nvidia.com/nlu-with-tensorrt-bert/

4.1 基于TensorRT API实现

在阅读理解任务上的响应时间压缩到了2.2ms，可见优化效果是非常明显的。英伟达开源了整个实验的数据和代码，具体可以参考《Real-Time Natural Language Understanding with BERT Using TensorRT》
基本思路是：
1 Fine-tuning获得的TensorFlow的ckpt模型（如果需要开启混合精度能力，需要在Fine-tuning步骤完成，建议直接使用英伟达修改过的BERT模型，参考《DeepLearningExamples/TensorFlow/LanguageModeling/BERT》）
2 使用TensorRT重新实现BERT，主要是Transformer部分（可以理解自定义了很多Plugin），同时，也包含任务相关的部分代码（如分类任务和阅读理解任务的实现是不同的）
3 使用TensorRT接口加载ckpt模型文件并获取参数
4 将参数输入给重新实现的BERT网络
5 优化编译并输出优化后的模型文件（TensorRT-engine文件）
6 加载TensorRT-engine文件，并进行推理
文中的示例只提供了阅读理解的实现，如果是分类问题，需要自己使用TensorRT API编写Transformer输出后，任务相关的代码，并对其参数。这里需要熟悉TensorRT的API，操作起来比较麻烦。

4.2 基于Fast Transformer实现

如果先看了《Real-Time Natural Language Understanding with BERT Using TensorRT》这篇文章，并尝试文中的方法进行分类分类任务。再看到基于Fast Transformer的方案，肯定觉得自己走了弯路（PS，我就是这样，汗~）。
BERT的核心是Transformer，Nvidia很贴心的把Transformer（主要是Encoder）以组件的形式进行了加速优化，并作为单独的开源项目发布（实现原理和上面一致）。项目参考《Faster Transformer》
简单来说，就是编写推理服务时，还是继续使用TensorFlow，只是其中的Google默认实现的Transformer被Nvidia换成了自己的定制实现模块。Transformer之外的部分原封不动。这样就既实现了BERT的计算加速，又保证了使用的灵活性。效果还是蛮不错的：
fast-transformer优化效果
数据来源：https://github.com/NVIDIA/DeepLearningExamples/blob/master/FasterTransformer/sample/tensorflow_bert/sample.md
这里多说一句，后面Nvidia会开源Fast Transformer 2.0，核心就是实现了Transformer的Decoder。
另外，TensorRT和Fast Transformer Nvidia有专门的在线研讨会（虽然过期了，但可以回看），这里推荐两个，《利用 TensorRT 自由搭建高性能推理模型》，《Faster Transformer 介绍》