均匀量化

均匀量化是指量化后的数据比较均匀地分布在某个数值空间中，例如INT8量化就是用只有8比特的INT8数据来表示32比特的FP32数据或16比特的FP16数据，将FP32/FP16的卷积运算过程（乘加运算）转换为INT8的卷积运算，加速运算和实现模型压缩；均匀的INT8量化则是量化后数据比较均匀地分布在INT8的数值空间[-128, 127]中。

如果均匀量化后的模型精度无法满足要求，则需要进行基于精度的自动量化或量化感知训练或手工调优。均匀量化支持量化的层以及约束如下，量化示例请参见样例列表。

表1 均匀量化支持的层以及约束

支持的层类型

约束

备注

torch.nn.Linear

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复用层（共用weight和bias参数）不支持量化。

torch.nn.Conv2d
  • padding_mode为zeros
  • 只支持input data的shape为(N, Cin, Hin, Win)

torch.nn.Conv3d
  • dilation_d为1，dilation_h/dilation_w >= 1
  • 只支持input data的shape为(N, Cin, Din, Hin, Win)

torch.nn.ConvTranspose2d
  • padding_mode为zeros
  • 只支持input data的shape为(N, Cin, Hin, Win)

torch.nn.AvgPool2d

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接口调用流程

均匀量化接口调用流程如图1所示。

图1 均匀量化接口调用流程
蓝色部分为用户实现，灰色部分为用户调用AMCT提供的API实现，工具使用分为如下场景：
  1. 用户首先构造PyTorch的原始模型，然后使用create_quant_config生成量化配置文件。
  2. 根据PyTorch模型和量化配置文件，即可调用quantize_model接口对原始PyTorch模型进行优化，优化后的PyTorch模型中包含了量化算法。
  3. 使用校准集在PyTorch环境下执行前向推理，产生量化因子，并将量化因子输出到文件中。
  4. 最后用户可以调用save_model接口保存量化后的模型，包括可在ONNX执行框架ONNX Runtime环境中进行精度仿真的模型文件和可部署在昇腾AI处理器的模型文件。
    • 精度仿真模型文件：ONNX格式的模型文件，模型名中包含fake_quant，可以在ONNX Runtime环境进行精度仿真。
      fake_quant模型主要用于验证量化后模型的精度，可以在ONNX Runtime环境下运行。进行前向推理的计算过程中，在fake_quant模型中对卷积层等的输入数据和权重进行了量化反量化的操作，来模拟量化后的计算结果，从而快速验证量化后模型的精度。如下图所示，以INT8量化为例，Quant层、Conv2d卷积层和DeQuant层之间的数据都是Float32数据类型的，其中Quant层将数据量化到INT8又反量化为Float32，权重也是量化到INT8又反量化为Float32，实际卷积层的计算是基于Float32数据类型的，该模型用于在ONNX Runtime环境验证量化后模型的精度，不能够用于ATC工具转换成om模型。
      图2 fake_quant模型
    • 部署模型文件：ONNX格式的模型文件，模型名中包含deploy，经过ATC转换工具转换后可部署到在昇腾AI处理器。
      以INT8量化为例，deploy模型由于已经将权重等转换成为了INT8，INT32类型， 因此不能在ONNX Runtime环境上执行推理计算。如下图所示，deploy模型的AscendQuant层将Float32的输入数据量化为INT8，作为卷积层的输入，权重也是使用INT8数据类型作为计算，在deploy模型中的卷积层的计算是基于INT8，INT32数据类型的，输出为INT32数据类型经过AscendDeQuant层转换成Float32数据类型传输给下一个网络层。
      图3 deploy模型

调用示例

训练后量化主要包括如下几个步骤：

  1. 准备训练好的模型和数据集。
  2. 在原始PyTorch环境中验证模型精度以及环境是否正常。
  3. 编写训练后量化脚本调用AMCTAPI。
  4. 执行训练后量化脚本。
  5. 在ONNX Runtime环境中验证量化后仿真模型精度。
  • 由于软件约束（动态shape场景下暂不支持输入数据为DT_INT8），量化后的部署模型使用ATC工具进行模型转换时，不能使用动态shape相关参数，例如--dynamic_batch_size和--dynamic_image_size等，否则模型转换会失败。
  • 使用AMCT工具量化后的部署模型，使用ATC工具进行模型转换时，不能再使用高精度特性，比如不能再通过--precision_mode参数配置force_fp32或must_keep_origin_dtype（原图fp32输入）；不能再通过--precision_mode_v2参数配置origin；不能通过--op_precision_mode配置high_precision参数等。在高精度模式下设置量化参数，既拿不到量化的性能收益，也拿不到高精度模式的精度收益。
  • 如下示例标有“由用户补充处理”的步骤，需要用户根据自己的模型和数据集进行补充处理，示例中仅为示例代码。
  • 如下示例调用AMCT的部分，函数入参请根据实际情况进行调整。
  1. 导入AMCT包，并通过安装后处理>AMCT(PyTorch)中的环境变量设置日志级别。

    1
    		 
    import amct_pytorch as amct

  2. （可选，由用户补充处理）在PyTorch原始环境中验证推理脚本及环境。

    建议使用原始待量化的模型和测试集，在PyTorch环境下推理，验证环境、推理脚本是否正常。

    推荐执行该步骤，请确保原始模型可以完成推理且精度正常；执行该步骤时，可以使用部分测试集，减少运行时间。

    1
    		 
    user_do_inference_torch(ori_model, test_data, test_iterations)

  3. 调用AMCT，量化模型。

    1. 生成量化配置。 
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      config_file = './tmp/config.json'
skip_layers = []
batch_num = 1
amct.create_quant_config(config_file=config_file,
			 model=ori_model,
                         input_data=ori_model_input_data,
			 skip_layers=skip_layers,
			 batch_num=batch_num)
    2. 修改图，在图中插入数据量化，权重量化等相关的算子，用于计算量化相关参数。 
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      record_file = './tmp/record.txt'
modified_onnx_model = './tmp/modified_model.onnx'
calibration_model = amct.quantize_model(config_file=config_file,
					modified_onnx_model=modified_onnx_model,
					record_file=record_file,
                                        model=ori_model,
                                        input_data=ori_model_input_data)
    3. （由用户补充处理）基于PyTorch环境，使用修改后的模型（calibration_model）在校准集（calibration_data）上做模型推理，生成量化因子。

      该步骤执行时，需要注意如下两点：

      1. 校准集及其预处理过程数据要与模型匹配，以保证量化的精度。
      2. 前向推理的次数为batch_num，如果次数不够，后续过程会失败。

      校准过程中如果提示[IFMR]: Do layer xxx data calibration failed!错误信息，则请参见校准执行过程中提示“[IFMR]: Do layer xxx data calibration failed!”解决。

      1
      		 
      user_do_inference_torch(calibration_model, calibration_data, batch_num)
    4. 保存模型。
      根据量化因子，调用save_model接口，插入AscendQuant、AscendDequant等算子，保存为量化模型。 
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4
      		 
      quant_model_path = './results/user_model'
amct.save_model(modified_onnx_file=modified_onnx_file,
                record_file=record_file,
                save_path=quant_model_path)

  4. （可选，由用户补充处理）基于ONNX Runtime的环境，使用量化后模型（quant_model）在测试集（test_data）上做推理，测试量化后仿真模型的精度。

    使用量化后仿真模型精度与2中的原始精度做对比，可以观察量化对精度的影响。 
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    quant_model = './results/user_model_fake_quant_model.onnx'
user_do_inference_onnx(quant_model, test_data, test_iterations)

父主题： 手工量化