TensorRT模型优化模型部署（七）--Quantization量化（PTQ and QAT)（二）

系列文章目录

第一章 TensorRT优化部署（一）–TensorRT和ONNX基础
第二章 TensorRT优化部署（二）–剖析ONNX架构
第三章 TensorRT优化部署（三）–ONNX注册算子
第四章 TensorRT模型优化部署（四）–Roofline model
第五章 TensorRT模型优化部署（五）–模型优化部署重点注意
第六章 TensorRT模型优化部署（六）–Quantization量化基础（一）
第七章 TensorRT模型优化模型部署（七）–Quantization量化（PTQ and QAT)（二）

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前言

理解PTQ和QAT的区别，以及PTQ的优缺点和layer-wise sensitive analysis

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一、(PTQ and quantization-analysis)

根据量化的时机，一般我们会把量化分为
? PTQ(Post-Training Quantization)，训练后量化
? QAT(Quantization-Aware Training)，训练时量化

PTQ一般是指对于训练好的模型，通过calibration算法等来获取dynamic range来进行量化。
但量化普遍上会产生精度下降。所以QAT为了弥补精度下降，在学习过程中通过Fine-tuning权
重来适应这种误差，实现精度下降的最小化。所以一般来讲，QAT的精度会高于PTQ。但并不
绝对。

1.1 PTQ 优缺点

PTQ(Post-training quantization)也被称作隐式量化(implicit quantization)。我们并不显式的
对算子添加量化节点(Q/DQ)，calibration之后TensorRT根据情况进行量化。

优点
? 方便使用，不需要训练。可以在部署设备上直接跑
缺点

1. 精度下降
   ? 量化过程会导致精度下降。但PTQ没有类似于QAT这种fine-tuning的过程。所以权重不会更
   新来吸收这种误差。
2. 量化不可控
   ? TensorRT会权衡量化后所产生的新添的计算或者访存， 是否用INT8还是FP16。
   ? TensorRT中的kernel autotuning会选择核函数来做FP16/INT8的计算。来查看是否在CUDA
   core上跑还是在Tensor core上跑
   ? 有可能FP16是在Tensor core上，但转为INT8之后就在CUDA core上了
3. 层融合问题
   ? 量化后有可能出现之前可以融合的层，不能融合了
   ? 量化会添加reformatter这种更改tensor的格式的算子，如果本来融合的两个算子间添加了这
   个就不能被融合了
   ? 比如有些算子支持int8，但某些不支持。之前可以融合的，但因为精度不同不能融合了

如果INT8量化后速度反而会比FP16/FP32要慢，我们可以从以上的2和3去分析并排查原因

1.2 量化中的sensitive analysis

从精度分析的角度去弥补PTQ的精度下降，我们可以进行layer-wise的量化分析。这种方法被称
作layer-wise sensitive analysis。每层对模型的重要度比例是不一样的，普遍来讲，模型框架中会有一些层的量化对精度的影响比较大。我们管它们叫做敏感层(sensitive layer)。对于这些敏感层的量化我们需要非常小心。尽量用FP16。敏感层一般靠近模型的输入输出

1.2 Polygraphy

Polygraphy 是英伟达推出的一款工具，用于可视化和分析深度学习模型的性能和效果。可以分析并查找模型精度下降并且影响比较大的地方

? onnxruntime与TensorRT engine的layer-wise的精度分析
? 输出每一层layer的权重histogram
? 截取影响整个网络中对精度影响最大的子网，并使用onnx-surgeon单独拿出来

（跑一下Onnx模型再跑一下trt模型，两个模型对比，看激活值差别大概有多大，如果有一个层某个层精度下降比较大就会报错，然后把它取出来。）

具体查看官方文档：https://github.com/NVIDIA/TensorRT/tree/main/tools/Polygraphy#examples

1.3 FP16/INT8对计算资源的利用

在做量化后，我们无法指定将量化后的conv或者gemm放在Tensor core还是在CUDA core上计算。这些是TensorRT在帮我们选择核函数的时候自动完成的。查看是否在用Tensor core可以通过下面三个办法

? 使用dlprof
? 使用nsight system
? 使用trtexec

DLProf
DLProf (Deep learning Profiler)工具可以把模型在GPU上的执行情况以TensorBoard的形式打印出来，分析TensorCore的使用情况。DLProf不支持Jetson系列的Profile。对于Jetson，我们可以使用Nsight system或者trtexec。具体查看官方文档：https://developer.nvidia.com/blog/profiling-and-optimizing-deep-neural-networks-with-dlprof-and-pyprof/

Nsight System/trtexec
如果是利用Nsight system的话，我们可以查看到哪一个kernel的时间占用率最高，之后从kernel的名字取推测这个kernel是否在用Tensor Core。
eg:

? h884 = HMMA = FP16 TensorCore
? i8816 = IMMA = INT8 TensorCore
? hcudnn = FP16 normal CUDA kernel (without TensorCore)
? icudnn = INT8 normal CUDA kernel (without TensorCore)
? scudnn = FP32 normal CUDA kernel (without TensorCore)

HMMA: Half-precision matrix multiply and accumulate
Nsight System/trtexec IMMA: Int-precision matrix multiply and accumulate

二、Quantization(QAT and kernel-fusion)

QAT(Quantization Aware Training)也被称作显式量化。我们明确的在模型中添加Q/DQ节点
(量化/反量化)，来控制某一个算子的精度。并且通过fine-tuning来更新模型权重，让权重学习
并适应量化带来的精度误差。QAT的核心就是通过添加fake quantization，也就是Q/DQ节点，来模拟量化过程

1.Q/DQ是什么

Q/DQ node也被称作fake quantization node，是用来模拟fp32->int8的量化的scale和
shift(zero-point)，以及int8->fp32的反量化的scale和shift(zero-point)。QAT通过Q和DQ
node里面存储的信息对fp32或者int8进行线性变换。

TensorRT对包含Q/DQ节点的onnx模型使用很多图优化，从而提高计算效率。主要分为
? Q/DQ fusion
通过层融合，将Q/DQ中的线性计算与conv或者linear这种线性计算融合在一起，实现int8计算
? Q/DQ Propagation
将Q节点尽量往前挪，将DQ节点尽量往后挪，让网络中int8计算的部分变得更长


QAT的学习过程
? 主要是训练weight来学习误差
Q/DQ中的scale和zero-point也是可以训练的。通过训练来学习最好的scale来表示dynamic range
? 没有PTQ中那样人为的指定calibration过程
不是因为没有calibration这个过程来做histogram的统计，而是因为QAT会利用fine-tuning的数
据集在训练的过程中同时进行calibration，这个过程是我们看不见的。这就是为什么我们在
pytorch创建QAT模型的时候需要选定calibration algorithm。

pytorch支持对已经训练好的模型自动添加Q/DQ节点。详细可以参考https://github.com/NVIDIA/TensorRT/tree/main/tools/pytorch-quantization

2.量化流程

1. 先进行PTQ
   从多种calibration策略中选取最佳的算法，查看是否精度满足，如果不行再下一步。
2. 进行partial-quantization
   通过layer-wise的sensitve analysis分析每一层的精度损失，尝试fp16 + int8的组合；fp16用在敏感层(网络入口和出口)，int8用在计算密集处(网络的中间)，查看是否精度满足，如果不行再下一步。(注意，这里同时也需要查看计算效率是否得到满足)
3. 进行QAT来通过学习权重来适应误差
   选取PTQ实验中得到的最佳的calibration算法，通过fine-tuning来训练权重(大概是原本训练的10%个epoch)，查看是否精度满足，如果不行查看模型设计是否有问题。(注意，这里同时也需要查看层融合是否被适用，以及Tensor core是否被用)

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总结

下节介绍channel-level pruning的算法，以及如何使用L1-Norm来让权重稀疏