内存带宽与计算能力，谁才是决定深度学习执行性能的关键？

机器之心专栏

作者：李飞

随着深度学习的不断发展，计算能力得到了深度学习社区越来越多的注意。任何深度学习模型，归根到底都是需要跑在设备上的，而模型对设备性能的要求越低，则能得到越多的运用——千万不能让硬件成为了模型普及的瓶颈！

说到模型对于硬件的要求，大家第一个想到的就是计算量，即一个深度学习模型需要多少次计算才能完成一次前馈。然而，除了运算量之外，模型对于内存带宽的需求也是影响实际计算所需要时间的重要参数。我们下面会看到，在内存带宽有限的情况下，仅仅缩小计算量并不能让计算时间等比例下降！

内存带宽对于硬件系统的性能影响如上图所示。如果把内存比做瓶子，运算单元比作杯子，那么数据就是瓶子里的各色颗粒，而内存接口就是瓶口，通过瓶口数据才能进入杯子被消费（处理）掉。而内存带宽就是瓶口的宽度了。瓶口宽度越窄，则数据需要越多时间才能进入杯子（处理单元）。正所谓「巧妇难为无米之炊」，如果带宽有限，那么即使处理单元无限快，在大多数时候也是处理单元在空等数据，造成了计算力的浪费。

深度学习网络与 Roofline 模型

对于工程师来说，定性分析并不够，我们还需要能定量分析算法对于内存带宽的需求，以及对于计算性能的影响。

算法对于内存带宽的需求通常使用「运算强度 (operational intensity，或称 arithmetic intensity)」这个量来表示，单位是 OPs/byte。这个量的意思是，在算法中平均每读入单位数据，能支持多少次运算操作。运算强度越大，则表示单位数据能支持更多次运算，也就是说算法对于内存带宽的要求越低。所以，运算强度大是好事！

我们来举一个例子。对于步长（stride）为 1 的 3x3 卷积运算，假设输入数据平面大小为 64x64。简单起见，假设输入和输出 feature 都为 1。这时候，总共需要进行 62x62 次卷积运算，每次卷积需要做 3x3=9 次乘加运算，所以总共的计算次数为 34596，而数据量为（假设数据和卷积核都用单精度浮点数 2byte）：64x64x2（输入数据）+ 3x3x2（卷积核数据）= 8210 byte，所以运算强度为 34596/8210=4.21。如果我们换成 1x1 卷积，那么总的计算次数变成了 64x64=4096，而所需的数据量为 64x64x2 + 1x1x2=8194。显然，切换为 1x1 卷积可以把计算量降低接近 9 倍，但是运算强度也降低为 0.5，即对于内存带宽的需求也上升了接近 9 倍。因此，如果内存带宽无法满足 1x1 卷积计算，那么切换成 1x1 卷积计算虽然降低了接近 9 倍计算量，但是无法把计算速度提升 9 倍。

这里，我们可以看到，深度学习计算设备存在两个瓶颈，一个是处理器计算能力，另一个是计算带宽。如何分析究竟是哪一个限制了计算性能呢？可以使用 Roofline 模型。

典型的 Roofline 曲线模型如上图所示，坐标轴分别是计算性能（纵轴）和算法的运算强度（横轴）。Roofline 曲线分成了两部分：左边的上升区，以及右边的饱和区。当算法的运算强度较小时，曲线处于上升区，即计算性能实际被内存带宽所限制，有很多计算处理单元是闲置的。随着算法运算强度上升，即在相同数量的数据下算法可以完成更多运算，于是闲置的运算单元越来越少，这时候计算性能就会上升。然后，随着运算强度越来越高，闲置的计算单元越来越少，最后所有计算单元都被用上了，Roofline 曲线就进入了饱和区，此时运算强度再变大也没有更多的计算单元可用了，于是计算性能不再上升，或者说计算性能遇到了由计算能力（而非内存带宽）决定的「屋顶」（roof）。拿之前 3x3 和 1x1 卷积的例子来说，3x3 卷积可能在 roofline 曲线右边的饱和区，而 1x1 卷积由于运算强度下降，有可能到了 roofline 左边的上升区，这样 1x1 卷积在计算时的计算性能就会下降无法到达峰值性能。虽然 1x1 卷积的计算量下降了接近 9 倍，但是由于计算性能下降，因此实际的计算时间并不是 3x3 卷积的九分之一。

显然，一个计算系统的内存带宽如果很宽，则算法不需要运算强度很大也能轻易碰到计算能力上限决定的「屋顶」。在下图中，计算能力不变，而随着内存带宽的上升，达到计算力屋顶所需的运算强度也越低。

Roofline 模型在算法-硬件协同设计中非常有用，可以确定算法和硬件优化的方向：到底应该增加内存带宽／减小内存带宽需求，还是提升计算能力／降低计算量？如果算法在 roofline 曲线的上升区，那么我们应该增加内存带宽／减小内存带宽需求，提升计算能力／降低计算量对于这类情况并没有帮助。反之亦然。

我们来看一个实际的例子，比较一下各种机器学习算法在 roofline 模型上所处的位置。下图取自 Google 的 TPU 论文《In-Datacenter Performance Analysis of a Tensor Processing Unit》。由图中可见，LSTM 算法的运算强度最低，所以被卡在了 roofline 模型的上升区中间的地方，即 TPU 在执行 LSTM 算法的时候，由于内存带宽限制所以性能只有 3TOPS 左右，仅为峰值性能（90TOPS）的三十分之一。经典全联接神经网络（multi-layer perceptrons, MLP）的运算强度略好于 LSTM，也被卡在 roofline 曲线的上升区，实际执行性能大约在 10TOPS 左右。而卷积神经网络模型，尤其是 CNN0，由于卷积神经网络中能实现卷积核复用，因此运算强度非常高，于是可以非常接近 TPU roofline 曲线的屋顶（86 TOPS）。CNN1 模型虽然运算强度也很高，但是由于种种其他原因（论文中表示是由于 CNN1 模型的特征深度较浅无法完全利用 TPU 的计算单元）无法到达屋顶。这个例子又让我们看到了硬件-算法协同设计时的另一个要点：除了内存带宽之外还有「其他原因」可能让算法无法到达屋顶，我们要尽量减小这些「其他因素」！