编写可调模板并使用自动调谐器
这是TVM中自动调试模块的入门说明。
自动调试有两个步骤。第一步是定义搜索空间。第二步是运行搜索算法来探索这个空间。本文可以学习如何在TVM中执行这两个步骤。整个工作流程由矩阵乘法示例说明。
注意，本文无法在Windows或最新版本的macOS上运行。要使其运行，需要将本文的内容包装在一个if __name__ == "__main__":块中。
安装依赖
要在TVM中使用autotvm软件包，需要安装一些额外的依赖项。可以跳过此步骤（安装xgboost），因为它不需要XGBoost（如果使用python2，请将“ 3”更改为“ 2”）：
pip3 install --user psutil xgboost
为了使TVM在调试中更快地运行，建议使用cython作为TVM的FFI。在TVM的根目录中，执行（如果使用python2，请将“ 3”更改为“ 2”）：
pip3 install --user cython
sudo make cython3
现在返回python代码，导入包。
import logging
import sys
import numpy as np
import tvm
from tvm import te, testing
# the module is called `autotvm`
from tvm import autotvm
步骤1：定义搜索空间
在本节中，将确定性TVM调度代码重写为可调调度模板。可以将搜索空间定义的过程视为现有调度代码的参数化。
首先，这是如何在TVM中实现分块矩阵乘法。
# Matmul V0: Constant tiling factor
def matmul_v0(N, L, M, dtype):
A = te.placeholder((N, L), name="A", dtype=dtype)
B = te.placeholder((L, M), name="B", dtype=dtype)
k = te.reduce_axis((0, L), name="k")
C = te.compute((N, M), lambda i, j: te.sum(A[i, k] * B[k, j], axis=k), name="C")
s = te.create_schedule(C.op)
# schedule
y, x = s[C].op.axis
k = s[C].op.reduce_axis[0]
yo, yi = s[C].split(y, 8)
xo, xi = s[C].split(x, 8)
s[C].reorder(yo, xo, k, yi, xi)
return s, [A, B, C]
参数化调度
在先前的调度代码中，使用常数“ 8”作为切片因子。但是，可能不是最好的，因为最好的切片因子取决于实际的硬件环境和输入形态。
如果希望调度代码可在更广泛的输入形态和目标硬件中移植，则最好定义一组候选值并根据目标硬件上的测量结果选择最佳值。
在autotvm中，可以为此类值定义可调参数或“旋钮”。
# Matmul V1: List candidate values
@autotvm.template("tutorial/matmul_v1") # 1. use a decorator
def matmul_v1(N, L, M, dtype):
A = te.placeholder((N, L), name="A", dtype=dtype)
B = te.placeholder((L, M), name="B", dtype=dtype)
k = te.reduce_axis((0, L), name="k")
C = te.compute((N, M), lambda i, j: te.sum(A[i, k] * B[k, j], axis=k), name="C")
s = te.create_schedule(C.op)
# schedule
y, x = s[C].op.axis
k = s[C].op.reduce_axis[0]
# 2. get the config object
cfg = autotvm.get_config()
# 3. define search space
cfg.define_knob("tile_y", [1, 2, 4, 8, 16])
cfg.define_knob("tile_x", [1, 2, 4, 8, 16])
# 4. schedule according to config
yo, yi = s[C].split(y, cfg["tile_y"].val)
xo, xi = s[C].split(x, cfg["tile_x"].val)
s[C].reorder(yo, xo, k, yi, xi)
return s, [A, B, C]
在这里，对先前的调度代码进行了四个修改，并获得了一个可调的“模板”。可以一一解释这些修改。
- 使用decorator将此功能标记为简单模板。
- 获取配置对象：可以将此cfg作为该函数的参数，但是可以通过其他方式获得。使用此参数，此功能不再是确定性的调度代码。相反，可以将不同的配置传递给此功能并获得不同的调度，因此此功能是一个“模板”。
为了使模板函数更紧凑，在单个函数中做了两件事。（1）定义搜索空间，（2）根据该空间中的实体进行调度。为了达到这个目的，将cfg其设为aConfigSpace或ConfigEntityobject。
如果是ConfigSpace，将收集此功能中的所有可tune调旋钮并建立搜索空间。如果是ConfigEntity，它将忽略所有空间定义API（即cfg.define_XXXXX(...)）。相反，存储所有可调旋钮的确定性值，根据这些值进行调度。
在自动调试期间，将首先使用一个ConfigSpace 对象调用此模板以构建搜索空间。然后，ConfigEntity 在构建空间中将此模板称为不同的模板，以获取不同的调度。最后，将测量由不同调度生成的代码，并选择最佳调度。
- 定义两个可调旋钮。第一个tile_y具有5个可能的值。第二个tile_x具有相同的可能值列表。这两个旋钮是独立的，因此它们跨越的搜索空间的大小为5x5 = 25
- 根据cfg中的确定性值进行调度
使用更好的空间定义API
在上一个模板中，手动列出了旋钮的所有可能值。这是定义空间的最低级别的API。但是，还提供了另一组API，以使空间定义更轻松，更智能。建议使用这套高级API。
在以下示例中，用ConfigSpace.define_split定义拆分旋钮。它将列举所有可能的方式来分割轴并构造空间。
还有ConfigSpace.define_reorder用于重新排序的旋钮和 ConfigSpace.define_annotate用于展开，向量化，线程绑定的注释。当高级API无法满足要求时，始终可以回退而使用低级API。
@autotvm.template("tutorial/matmul")
def matmul(N, L, M, dtype):
A = te.placeholder((N, L), name="A", dtype=dtype)
B = te.placeholder((L, M), name="B", dtype=dtype)
k = te.reduce_axis((0, L), name="k")
C = te.compute((N, M), lambda i, j: te.sum(A[i, k] * B[k, j], axis=k), name="C")
s = te.create_schedule(C.op)
# schedule
y, x = s[C].op.axis
k = s[C].op.reduce_axis[0]
##### define space begin #####
cfg = autotvm.get_config()
cfg.define_split("tile_y", y, num_outputs=2)
cfg.define_split("tile_x", x, num_outputs=2)
##### define space end #####
# schedule according to config
yo, yi = cfg["tile_y"].apply(s, C, y)
xo, xi = cfg["tile_x"].apply(s, C, x)
s[C].reorder(yo, xo, k, yi, xi)
return s, [A, B, C]
注意
有关cfg.defile_split更多说明
在此模板中，将枚举所有可以将y轴分解为长度为y的两个轴的可能组合。例如，如果y的长度为32，并且想使用32的因数将其分成两个轴，则（外轴的长度，内轴的长度）对有6个可能的值，即（32，1） ，（16、2），（8、4），（4、8），（2、16）或（1、32）。它们只有6个可能tile_y的值。cfg.define_split("tile_y", y, num_outputs=2)
在调度期间，cfg["tile_y"]是一个SplitEntity对象。将外轴和内轴的长度存储在cfg['tile_y'].size （具有两个元素的元组）中。在此模板中，使用yo, yi = cfg['tile_y'].apply(s, C, y)来应用它。实际上，这等于 yo, yi = s[C].split(y, cfg["tile_y"].size[1])或 yo, yi = s[C].split(y, nparts=cfg['tile_y"].size[0])
使用cfg.apply API的优点是，使多层拆分（当num_outputs> = 3时）更加容易。
步骤2：搜寻空间
在第1步中，通过将旧的调度代码扩展到模板中来构建搜索空间。下一步是选择一个tune调谐器，并在这个空间中进行探索。
TVM中的自动tune调谐器
tune调谐器的工作可以通过以下伪代码来描述
ct = 0
while ct < max_number_of_trials:
propose a batch of configs
measure this batch of configs on real hardware and get results
ct += batch_size
当提议下一批配置时，调谐器可以采取不同的策略。在autotvm中为四个调谐器提供了不同的策略。
- RandomTuner：以随机顺序枚举空间
- GridSearchTuner：按网格搜索顺序枚举空间
- GATuner：使用遗传算法搜索空间
- XGBTuner：使用基于模型的方法。训练XGBoost模型以预测降低的IR的速度，并根据预测选择下一批。
可以根据空间大小，时间预算和其他因素选择调谐器。例如，如果空间很小（小于1000），那么使用gridsearch调谐器或随机调谐器就足够了。如果空间为10 ^ 9的水平（这是CUDA GPU上conv2d运算符的空间大小），则XGBoostTuner可以更有效地进行探索并找到更好的配置。
开始调试
在这里，继续矩阵乘法示例。首先，应该创建一个调试任务。还可以检查初始化的搜索空间。在这种情况下，对于512x512方阵乘法，空间大小为10x10 = 100
N, L, M = 512, 512, 512
task = autotvm.task.create("tutorial/matmul", args=(N, L, M, "float32"), target="llvm")
print(task.config_space)
出：
ConfigSpace (len=100, space_map=
0 tile_y: Split(policy=factors, product=512, num_outputs=2) len=10
1 tile_x: Split(policy=factors, product=512, num_outputs=2) len=10
)
然后，需要定义如何测量生成的代码并选择一个调谐器。由于的空间很小，所以可以使用随机调谐器。
在本文中，仅进行10个试验进行演示。实际上，可以根据自己的时间预算进行更多试验。会将调试结果记录到日志文件中。此文件可用于稍后获得最佳配置。
# logging config (for printing tuning log to the screen)
logging.getLogger("autotvm").setLevel(logging.DEBUG)
logging.getLogger("autotvm").addHandler(logging.StreamHandler(sys.stdout))
# There are two steps for measuring a config: build and run.
# By default, we use all CPU cores to compile program. Then measure them sequentially.
# We measure 5 times and take average to reduce variance.
measure_option = autotvm.measure_option(builder="local", runner=autotvm.LocalRunner(number=5))
# Begin tuning with RandomTuner, log records to file `matmul.log`
# You can use alternatives like XGBTuner.
tuner = autotvm.tuner.RandomTuner(task)
tuner.tune(
n_trial=10,
measure_option=measure_option,
callbacks=[autotvm.callback.log_to_file("matmul.log")],
)
出：
Get devices for measurement successfully!
No: 1 GFLOPS: 0.52/0.52 result: MeasureResult(costs=(0.5179643672,), error_no=0, all_cost=8.699557542800903, timestamp=1607225778.9184623) [('tile_y', [-1, 64]), ('tile_x', [-1, 1])],None,6
No: 2 GFLOPS: 2.05/2.05 result: MeasureResult(costs=(0.1307110214,), error_no=0, all_cost=2.452157735824585, timestamp=1607225781.4836178) [('tile_y', [-1, 512]), ('tile_x', [-1, 8])],None,39
No: 3 GFLOPS: 2.77/2.77 result: MeasureResult(costs=(0.0968108324,), error_no=0, all_cost=2.015434741973877, timestamp=1607225783.5040994) [('tile_y', [-1, 2]), ('tile_x', [-1, 8])],None,31
No: 4 GFLOPS: 7.71/7.71 result: MeasureResult(costs=(0.0348177938,), error_no=0, all_cost=0.9887301921844482, timestamp=1607225784.5313203) [('tile_y', [-1, 1]), ('tile_x', [-1, 32])],None,50
No: 5 GFLOPS: 13.46/13.46 result: MeasureResult(costs=(0.0199451586,), error_no=0, all_cost=0.7833263874053955, timestamp=1607225785.3334467) [('tile_y', [-1, 256]), ('tile_x', [-1, 64])],None,68
No: 6 GFLOPS: 11.91/13.46 result: MeasureResult(costs=(0.0225446656,), error_no=0, all_cost=0.7622959613800049, timestamp=1607225786.1802726) [('tile_y', [-1, 256]), ('tile_x', [-1, 512])],None,98
No: 7 GFLOPS: 0.92/13.46 result: MeasureResult(costs=(0.2913359364,), error_no=0, all_cost=5.074311971664429, timestamp=1607225791.3119547) [('tile_y', [-1, 128]), ('tile_x', [-1, 2])],None,17
No: 8 GFLOPS: 2.37/13.46 result: MeasureResult(costs=(0.1133100596,), error_no=0, all_cost=2.2167930603027344, timestamp=1607225793.595454) [('tile_y', [-1, 8]), ('tile_x', [-1, 4])],None,23
No: 9 GFLOPS: 11.52/13.46 result: MeasureResult(costs=(0.0233022846,), error_no=0, all_cost=0.7279143333435059, timestamp=1607225795.1428313) [('tile_y', [-1, 256]), ('tile_x', [-1, 32])],None,58
No: 10 GFLOPS: 14.67/14.67 result: MeasureResult(costs=(0.0182990712,), error_no=0, all_cost=0.7626948356628418, timestamp=1607225795.9127738) [('tile_y', [-1, 64]), ('tile_x', [-1, 128])],None,76
最后，最好从缓存文件中应用历史记录，并检查其正确性。可以matmul直接在 autotvm.apply_history_best上下文中调用该函数。当调用此函数时，它将使用其参数查询调度上下文，并使用相同的参数获得最佳配置。
# apply history best from log file
with autotvm.apply_history_best("matmul.log"):
with tvm.target.Target("llvm"):
s, arg_bufs = matmul(N, L, M, "float32")
func = tvm.build(s, arg_bufs)
# check correctness
a_np = np.random.uniform(size=(N, L)).astype(np.float32)
b_np = np.random.uniform(size=(L, M)).astype(np.float32)
c_np = a_np.dot(b_np)
c_tvm = tvm.nd.empty(c_np.shape)
func(tvm.nd.array(a_np), tvm.nd.array(b_np), c_tvm)
tvm.testing.assert_allclose(c_np, c_tvm.asnumpy(), rtol=1e-2)