视频+PPT | 爱奇艺基于CPU的深度学习推理服务优化实践

本文内容节选自由msup主办的第七届TOP100summit，时任爱奇艺技术产品中心计算云团队助理研究员张磊分享的《基于CPU的深度学习推理部署优化实践》实录。

分享者张磊，就职于爱奇艺技术产品中心计算云团队担任助理研究员，负责云平台上深度学习应用的优化落地方案。加入爱奇艺之前在英特尔亚太研发有限公司担任图形软件工程师，负责底层软件设计和实现，对CPU，GPU 上应用性能分析和优化有丰富的经验。

编者按：2018年11月30日-12月3日，第七届全球软件案例研究峰会在北京国家会议中心盛大开幕，现场解读2018年「壹佰案例榜单」。本文为爱奇艺技术产品中心计算云团队助理研究员张磊分享的《爱奇艺基于CPU的深度学习推理服务优化实践》案例实录。

提纲：

• 案例来源
• 深度学习推理服务及优化
• 基于CPU深度学习推理服务优化实践
• 案例结果及分析
• 启示与展望

01案例来源

爱奇艺与AI

爱奇艺是一家以在线视频播放为主要业务的互联网公司，内部有很多视频应用的场景。为了给用户提供更好的视频播放体验，我们已将AI技术深入到业务线每一个领域，通过深度学习或AI的技术，让视频生产和播放过程更加智能与高效。

加速视频生产过程

典型的视频生产过程，包括视频拆分，视频编目，内容的审核，以及视频的发布，这些环节以前都是由人工去完成的，不仅花费了大量的人力成本，而且容易产生错误。我们希望利用深度学习的技术把这些环节自动化，不仅可以提高效率，而且可以节约大量的人力成本。

对基础架构的挑战

(1) 框架与模型的挑战

典型的深度学习框架模型有许多种，例如tensorflow，caffe，pytoch，keras等，不同的框架有不同的模型，它们的格式、部署方式都不太一致。我们需要能够支持不同的框架和模型，这对基础架构提出了挑战。

(2) 计算资源的挑战

GPU计算资源的紧缺，难以满足内部业务的快速增长。除此之外，GPU资源的利用率也是一个很大的问题，有些服务存在特殊的性能需求指标，没有办法把所有的服务整合在一个服务节点上以提高GPU资源的利用率。对于这类服务，我们通过迁移到CPU上来实现GPU资源的释放。

(3) 低延时高吞吐量的挑战

视频类业务的数据量非常大，对服务的吞吐量要求非常高，而且很多在线类的服务，通常具有低延时的要求。许多服务的端到端响应，通常需要控制在毫秒以内，留给深度学习服务做推理的时间非常少。

(4) 算法的快速迭代

算法迭代非常快。服务化的部署也需要应对算法的快速的部署和迭代。

02深度学习推理服务及优化

深度学习在线推理服务

一个深度学习Serving系统，可以响应外部的client基于gRPC或HTTP的请求。上图是一个典型的在线推理服务系统，这样的Serving系统内部实现了模型的加载、模型的版本管理、以及对Batch或Stream管理，最后向外提供一个gRPC或HTTP接口。

分类与指标

(1) 分类

推理服务有很多应用场景，对于不同类型的深度学习的服务，需要优化的点是不一样的，因此需要对推理服务进行分类。我们可以基于系统资源和服务质量进行分类，比如说从系统资源角度，可以分为是I/O密集的深度学习服务或计算密集型的深度学习服务。I/O密集型通常数据的特征维度都非常大，数据集也非常大，对I/O的要求非常高；计算密集型是基于CNN的视频类的算法，对于计算资源的需求非常大。计算密集通常需要基于平台做计算资源的加速。从服务质量深度学习又可以分为延时敏感类和大吞吐量类，其中延时敏感类，一般是在线类的服务，是需要跟用户有交互的一类服务；大吞吐量则是后台的批处理业务。

(2) 指标

上图展示了三类常用指标，延时、吞吐量和精度。前两类的指标是做服务化比较关心的指标，直接影响服务的质量。关于吞吐量通常用QPS来定义一个平均的和一个峰值的指标。精度是算法工程师比较关心的指标。只有精度达到了一定要求的算法，才可以部署上线。

性能优化

这是一个进行性能优化的瀑布流程，性能优化之前，首先需要对服务的性能指标有一个定义， 第二步进行服务性能的基准测试，在一个标准的系统环境下，对这个算法以及它的整个服务做性能基准测试，检测这个服务是不是能满足线上业务的需求。

CPU上的优化

若测试结果无法满足需求、我们会针对不同的性能瓶颈进行算法级、应用级、系统级的优化。系统级主要是针对硬件平台上做的一些性能优化的方法，应用级是跟特定应用相关的分析以及优化的方法，算法级是针对算法的优化，例如模型的裁剪，模型的量化。

03基于CPU深度学习推理服务优化实践

系统级优化

在CPU 上的系统级的优化目前采用两种方案，一种是基于MKL-DNN的数学库优化，另一种是基于厂商发布的深度学习的优化套件，我们的CPU主要是Intel CPU，所以使用了Open VINO。如图，针对于三个典型网络，蓝色部分是使用MKL-DNN做完优化，它比原生的框架通常会有一到三倍的性能提升，橘色的部分是基于Open VINO SDK的优化方式，它的优化幅度会比MKL-DNN多1倍左右。

MKL-DNN使用方法比较简单的，可以使用开源的官方镜像，或者是源。另一种方式是在编译时，指定相应的编译选项， MKL-DNN是基于原生框架的，所以不需要对模型做任何的转换，训练好的模型可以直接去使用，部署上线。

另一类优化方法是基于Open VINO的SDK方法，它的优化力度更深，它的实现通常需要模型转换，在通过通用框架训练得到一个原始模型后，通过SDK的模型转换工具，转化成中间格式model，得到这个中间模型之后，调用SDK的相应的API来封装整个深度学习的服务，进而进行服务化的部署。

这种优化方式模型转换会带来一些副作用，例如有某些深度学习层的操作不支持，整个模型转换就会失败，没有办法得到一个中间模型进行模型的转化和部署。

为了解决这类不支持的问题，我们针对模型转化工具做了一些优化，包括操作层的替换，自定义操作的实现等。

使用以上两种优化方式，有一些影响性能的因素。第一个是OpenMP的设置。 OpenMP有三个比较重要的设置，包括 KMP-BLOCKTIME，KMP-AFFINITY， OMP-NUM-THREADS。OMP-NUM-THREAS 参数决定了起多少路的线程来做同步的加速，BLOCKTIME决定线程要等待多久的时间进入到休眠的状态，AFFINITY，会决定OMP的线程如何分布到不同的CPU核上去，并通过CPU核数的堆叠，做到性能的成倍的提升。

右图列出了OMP在不同的设置下对性能的影响。我们发现只有THREADS与CPU的核数设置相等时，服务的吞吐量可以达到最大。

第二个是CPU核数与性能的关系， CPU在服务器端通常都是多核的，我们对核数与性能做了一个测试，可以看到，CPU的核数对性能的影响跟Batchsize相关，当 batchsize较小时，提高 CPU 核数到一定程度，性能已无法保持线性增长；当batchsize 较大时，即使 CPU 核数提升到比较高，例如24核，推理性能还是会随着CPU核数有一个线性的增长。

第三个影响性能的因素是CPU的型号，我们线上目前主要是两代 CPU类型，一类是Boardwell，一类是skylake。Skylake相比 broadwell，相同核数，性能提升在 2 倍左右。我们可以在线上服务时区分不同CPU集群，在进行服务部署时，选择不同的CPU集群来部署不同类型的服务。

第四个影响性能的因素是输入数据格式的影响，优化后的深度学习框架，推荐的输入数据格式化是NCHW，这种格式在进行数学运算时可以做更好的向量化的操作，对性能会有更大的帮助。

最后一个是NUMA的影响，服务器端的CPU与 PC上有些差异，它一般是多个CPU，每个CPU有自己内部独立的Memory以及cache和Bus，两个socket之间通过dsm的网络进行交互，代价比在单一的CPU上进行通信的代价要大，对性能的影响会比较多。

应用级优化

这是一个视频质量打分的例子，下面这张图是通过性能分析工具抓取的，我们可以看到，有8路OMPworker threads在做深度学习的推理，但是只有一路的opencv thread在做解码和预处理，一直处于busy的状态，它没有办法给推理部分提供足够的数据。针对这种情况，我们把预处理的部分做了一个并发。用多路进程来做解码，针对不同的视频帧，同时并发的做预处理，会把预处理的结果，加一个统一的缓存队列组成一个Batch，统一丢给后端的深度学习推理算法来做一个统一的推理。

这张图展示了并发整个的解码时间，预处理的时间缩短了1倍以上。每个应用，它的性能瓶颈是不一样的，我们需要通过分析工具去定位到它的瓶颈，做一些并发的Pipeline设计，从而达到性能的提升。

算法级优化

第三类优化是算法级的优化，通常我们拿到模型之后，需要结合硬件平台优化一下Batchsize的选择，另外就是通过量化的方法来进行优化。

我们测试了不同的Batchsize对整个服务性能的影响，如果选定一个特定的CPU的核数，随着Batchsize的增加，服务的吞吐量会有一个提升的过程，但如果Batchsize继续增大，会导致吞吐量的下降。

Batchsize的选取不仅对吞吐量有影响，对服务的延时也有很大的影响，越大的Batchsize，服务延时也会越大。所以对Batchsize选取通常要结合服务的需求，来选择不同的Batchsize。

模型量化有两个好处，一是减小模型的大小，通常一个量化模型的size会缩小三分之一到四分之一。二是现在处理器对于低精度的乘加运算有很多加速的指令。经过量化后我们可以很好地利用加速指令来做性能提升，量化的方法有两类，一类是post-Training 的量化，另一类Training-aware的量化，post-Training是拿到训练好的模型之后直接去做量化，跟整个训练过程没有关系；Training-aware会在训练过程中对量化做一些优化和抵消，可以很大程度上去避免对精度的影响。

性能方面，不同框架量化的方法也是不一样的，我们使用TF-lite网络模型，在CPU性能上可以做到2到5倍的提升。在不影响模型精度的情况下，Caffe内部对特定算法，使用量化的8 bit整型模型，性能也会有1到3倍的提升。

深度服务云平台方案

我们在公司内部实现了一个统一的深度学习平台，来支持异构计算、支持不同类型的深度学习框架。这是一个基于容器的推理和训练一站式平台。

这是深度学习服务云平台的框架图，从下往上分为四层，最底下是基础架构层，往上是资源的管理和调度层，然后是框架和服务层，最上面各种视频业务。

基础架构方面，我们有CPU、GPU、FPGA，同时会支持公有云，以及不同的网络和存储的支持。

系统调度是用Mesos来做统一的资源管理和调度。所有的任务都是基于容器的方式，通过Mesos调度到统一的计算资源上面去。 框架和服务层，我们会提供统一的训练和推理的服务接口，方便直接使用。

我们提供两类服务化的方式，第一类是业务部门根据自己的业务制定的应用系统，我们已经把VINO 的SDK封装成一个标准的一个docker的形式，来提供给业务部门服务化的同学直接使用。第二类是Tensorflow Serving，它是谷歌发布的基于Tensorflow 的一个系统，我们把它做了容器化，并使用了MKL-DNN的加速，模型训练完之后，也可以通过Tensorflow Serving直接去进行线上部署。

这部分是对于推理服务部署的一个性能测试的方法，基于LOCUST，可以在单机上实现对深度学习服务更好的并发的压测。

04案例结果及分析

以上是进行CPU优化后的结果，四个应用，经过优化之后，推理服务性能在 CPU 上分别得到了 4到20倍的提升。

这是服务器端部署的规模，已经有数十个算法完成CPU上的优化落地，部署的规模也达到了上千核CPU，等效100多个GPU的资源节省。

05启示与展望

优化过程的一些启示：

服务性能需求的定义是优化的第一步。

方法栈工具集能帮助有效分析和定位服务性能瓶颈。

系统级优化帮助最大化CPU集群算力。

应用级优化帮助服务进行端到端的优化。

算法级优化针对特定算法实现性能优化。

深度学习部署平台帮助服务部署的自动化和性能对比。

优化无止境，按需求优化。

未来我们还可以进一步优化的方向：

当前的优化主要是深度学习计算部分的优化，未来还可以进一步加速预处理部分，例如解码及图像处理；

集群的角度我们需要进一步优化调度算法，避免深度学习部署过程中产生的计算资源碎片化；

第三个是服务的弹性扩缩容，能根据线上业务量自动增加或减少服务节点；

最后一个是更多的异构资源计算加速。

以上内容来自张磊老师的分享。