TVM 样例

TVM 样例#

参考：TVM 编译简单的神经网络

Apache TVM 是遵循 Python 优先开发、通用部署原则的机器学习编译框架。它接收预训练的机器学习模型，编译并生成可嵌入和在任何地方运行的部署模块。Apache TVM 还允许自定义优化过程，引入新的优化、库、代码生成等。

Apache TVM 可以帮助：

优化：ML 工作负载、组合库和代码生成的性能。
部署：ML 工作负载部署到一组不同的新环境，包括新运行时和新的硬件。
持续改进和定制：通过快速自定义在 Python 中部署 ML 管道库调度，引入自定义算子和代码生成。

整体流程包括以下步骤：

构建或导入模型：构建神经网络模型或从其他框架（例如 PyTorch、ONNX）导入预训练模型，并创建 TVM IRModule，其中包含编译所需的所有信息，包括用于计算图的高级 Relax 函数和用于张量程序的低级 TensorIR 函数。
执行可组合优化：执行一系列优化变换，如计算图优化、张量程序优化和库调度。
构建和通用部署：将优化后的模型构建为可部署模块到通用运行时，并在不同设备上执行，如 CPU、GPU 或其他加速器。

构造或导入模型#

使用 TVM Relax 前端直接定义两层的感知器（MLP）网络，其 API 与 PyTorch 类似。

import tvm
from tvm import relax
from tvm.relax.frontend import nn

class MLPModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(784, 256)
        self.relu1 = nn.ReLU()
        self.fc2 = nn.Linear(256, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.fc1(x)
        x = self.relu1(x)
        x = self.fc2(x)
        return x

可以将模型导出为 TVM IRModule，这是 TVM 中的核心中间表示。

model = MLPModel()
mod, param_spec = model.export_tvm(
    spec={"forward": {"x": nn.spec.Tensor((1, 784), "float32")}}
)
mod.show()

执行优化转换#

Apache TVM 利用 pipeline 变换和优化程序。该管道封装了一系列变换，实现两个目标（在同一层级）：

模型优化：例如算子融合、布局重写。
张量程序优化：将算子映射到底层实现（包括库或代码生成）

备注

这两个是目标，而不是 pipeline 的阶段。这两种优化是在同一层级进行的，或者在两个阶段分别进行。

在本教程中，只演示整体流程，通过利用 zero 优化管道，而不是针对任何特定目标进行优化。

mod = relax.get_pipeline("zero")(mod)

mod.show()

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# from tvm.script import ir as I
# from tvm.script import tir as T
# from tvm.script import relax as R

@I.ir_module
class Module:
    @T.prim_func(private=True)
    def fused_matmul1_add1(relu: T.Buffer((T.int64(1), T.int64(256)), "float32"), permute_dims1: T.Buffer((T.int64(256), T.int64(10)), "float32"), fc2_bias: T.Buffer((T.int64(10),), "float32"), T_add_intermediate: T.Buffer((T.int64(1), T.int64(10)), "float32")):
        T.func_attr({"tir.noalias": True})
        # with T.block("root"):
        matmul_intermediate = T.alloc_buffer((T.int64(1), T.int64(10)))
        for i0, i1, k in T.grid(T.int64(1), T.int64(10), T.int64(256)):
            with T.block("matmul"):
                v_i0, v_i1, v_k = T.axis.remap("SSR", [i0, i1, k])
                T.reads(relu[v_i0, v_k], permute_dims1[v_k, v_i1])
                T.writes(matmul_intermediate[v_i0, v_i1])
                with T.init():
                    matmul_intermediate[v_i0, v_i1] = T.float32(0.0)
                matmul_intermediate[v_i0, v_i1] = matmul_intermediate[v_i0, v_i1] + relu[v_i0, v_k] * permute_dims1[v_k, v_i1]
        for ax0, ax1 in T.grid(T.int64(1), T.int64(10)):
            with T.block("T_add"):
                v_ax0, v_ax1 = T.axis.remap("SS", [ax0, ax1])
                T.reads(matmul_intermediate[v_ax0, v_ax1], fc2_bias[v_ax1])
                T.writes(T_add_intermediate[v_ax0, v_ax1])
                T_add_intermediate[v_ax0, v_ax1] = matmul_intermediate[v_ax0, v_ax1] + fc2_bias[v_ax1]

    @T.prim_func(private=True)
    def fused_matmul_add_relu(x: T.Buffer((T.int64(1), T.int64(784)), "float32"), permute_dims: T.Buffer((T.int64(784), T.int64(256)), "float32"), fc1_bias: T.Buffer((T.int64(256),), "float32"), compute_intermediate: T.Buffer((T.int64(1), T.int64(256)), "float32")):
        T.func_attr({"tir.noalias": True})
        # with T.block("root"):
        matmul_intermediate = T.alloc_buffer((T.int64(1), T.int64(256)))
        T_add_intermediate = T.alloc_buffer((T.int64(1), T.int64(256)))
        for i0, i1, k in T.grid(T.int64(1), T.int64(256), T.int64(784)):
            with T.block("matmul"):
                v_i0, v_i1, v_k = T.axis.remap("SSR", [i0, i1, k])
                T.reads(x[v_i0, v_k], permute_dims[v_k, v_i1])
                T.writes(matmul_intermediate[v_i0, v_i1])
                with T.init():
                    matmul_intermediate[v_i0, v_i1] = T.float32(0.0)
                matmul_intermediate[v_i0, v_i1] = matmul_intermediate[v_i0, v_i1] + x[v_i0, v_k] * permute_dims[v_k, v_i1]
        for ax0, ax1 in T.grid(T.int64(1), T.int64(256)):
            with T.block("T_add"):
                v_ax0, v_ax1 = T.axis.remap("SS", [ax0, ax1])
                T.reads(matmul_intermediate[v_ax0, v_ax1], fc1_bias[v_ax1])
                T.writes(T_add_intermediate[v_ax0, v_ax1])
                T_add_intermediate[v_ax0, v_ax1] = matmul_intermediate[v_ax0, v_ax1] + fc1_bias[v_ax1]
        for i0, i1 in T.grid(T.int64(1), T.int64(256)):
            with T.block("compute"):
                v_i0, v_i1 = T.axis.remap("SS", [i0, i1])
                T.reads(T_add_intermediate[v_i0, v_i1])
                T.writes(compute_intermediate[v_i0, v_i1])
                compute_intermediate[v_i0, v_i1] = T.max(T_add_intermediate[v_i0, v_i1], T.float32(0.0))

    @T.prim_func(private=True)
    def transpose(fc1_weight: T.Buffer((T.int64(256), T.int64(784)), "float32"), T_transpose: T.Buffer((T.int64(784), T.int64(256)), "float32")):
        T.func_attr({"op_pattern": 2, "tir.noalias": True})
        # with T.block("root"):
        for ax0, ax1 in T.grid(T.int64(784), T.int64(256)):
            with T.block("T_transpose"):
                v_ax0, v_ax1 = T.axis.remap("SS", [ax0, ax1])
                T.reads(fc1_weight[v_ax1, v_ax0])
                T.writes(T_transpose[v_ax0, v_ax1])
                T_transpose[v_ax0, v_ax1] = fc1_weight[v_ax1, v_ax0]

    @T.prim_func(private=True)
    def transpose1(fc2_weight: T.Buffer((T.int64(10), T.int64(256)), "float32"), T_transpose: T.Buffer((T.int64(256), T.int64(10)), "float32")):
        T.func_attr({"op_pattern": 2, "tir.noalias": True})
        # with T.block("root"):
        for ax0, ax1 in T.grid(T.int64(256), T.int64(10)):
            with T.block("T_transpose"):
                v_ax0, v_ax1 = T.axis.remap("SS", [ax0, ax1])
                T.reads(fc2_weight[v_ax1, v_ax0])
                T.writes(T_transpose[v_ax0, v_ax1])
                T_transpose[v_ax0, v_ax1] = fc2_weight[v_ax1, v_ax0]

    @R.function
    def forward(x: R.Tensor((1, 784), dtype="float32"), fc1_weight: R.Tensor((256, 784), dtype="float32"), fc1_bias: R.Tensor((256,), dtype="float32"), fc2_weight: R.Tensor((10, 256), dtype="float32"), fc2_bias: R.Tensor((10,), dtype="float32")) -> R.Tensor((1, 10), dtype="float32"):
        R.func_attr({"num_input": 1})
        cls = Module
        with R.dataflow():
            permute_dims = R.call_tir(cls.transpose, (fc1_weight,), out_sinfo=R.Tensor((784, 256), dtype="float32"))
            lv = R.call_tir(cls.fused_matmul_add_relu, (x, permute_dims, fc1_bias), out_sinfo=R.Tensor((1, 256), dtype="float32"))
            permute_dims1 = R.call_tir(cls.transpose1, (fc2_weight,), out_sinfo=R.Tensor((256, 10), dtype="float32"))
            gv = R.call_tir(cls.fused_matmul1_add1, (lv, permute_dims1, fc2_bias), out_sinfo=R.Tensor((1, 10), dtype="float32"))
            R.output(gv)
        return gv

构建和通用部署#

优化完成后，将模型构建为可部署模块，并在不同设备上运行。

import numpy as np

target = tvm.target.Target("llvm")
ex = tvm.compile(mod, target)
device = tvm.cpu()
vm = relax.VirtualMachine(ex, device)
data = np.random.rand(1, 784).astype("float32")
tvm_data = tvm.nd.array(data, device=device)
params = [np.random.rand(*param.shape).astype("float32") for _, param in param_spec]
params = [tvm.nd.array(param, device=device) for param in params]
print(vm["forward"](tvm_data, *params).numpy())

[[24432.27  26025.193 24283.773 25502.045 26776.664 27174.902 26169.416
  25385.572 24756.78  26742.55 ]]

TVM 的目标是将机器学习带入任何感兴趣语言的应用程序中，同时提供最小的运行时支持。

在 IRModule 中的每个函数成为运行时的可运行函数。例如，在 LLM 情况下，可以直接调用 prefill 和 decode 函数。
```
prefill_logits = vm["prefill"](inputs, weight, kv_cache)
decoded_logits = vm["decode"](inputs, weight, kv_cache)
```

TVM 运行时附带原生数据结构，如 NDArray，也可以与现有生态系统（通过 DLPack 与 PyTorch 交换）进行零拷贝交换。

# 将 PyTorch 张量转换为 TVM NDArray
x_tvm = tvm.nd.from_dlpack(x_torch.to_dlpack())
# 转换 TVM NDArray 为 PyTorch 张量
x_torch = torch.from_dlpack(x_tvm.to_dlpack())

TVM 运行时在非 Python 环境中工作，因此它可以在移动设备等设置上运行。

// C++ snippet
runtime::Module vm = ex.GetFunction("load_executable")();
vm.GetFunction("init")(...);
NDArray out = vm.GetFunction("prefill")(data, weight, kv_cache);

// Java snippet
Module vm = ex.getFunction("load_executable").invoke();
vm.getFunction("init").pushArg(...).invoke;
NDArray out = vm.getFunction("prefill").pushArg(data).pushArg(weight).pushArg(kv_cache).invoke();