邊緣計(jì)算設(shè)備的性能功耗測量與分析

袁佳偉，宋慶增，王雪純，姜文超，金光浩

（1.天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300387；2.廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州 510006）

0 概述

在當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（人臉識別、自動(dòng)駕駛等）普遍增長的背景下，大型與復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將面向商業(yè)化發(fā)展。根據(jù)IDC［1］預(yù)測，到2020年全球產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量將大于40 ZB，在這種情形下，以服務(wù)器為計(jì)算核心的集中式處理模式將無法高效處理邊緣設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。因此，邊緣計(jì)算［2］就顯得尤為重要，邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)處理更接近數(shù)據(jù)來源，具有實(shí)時(shí)和快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析的優(yōu)點(diǎn)［3］，這對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化而言至關(guān)重要。

EDGE TPU計(jì)算板是當(dāng)前最新的邊緣計(jì)算設(shè)備，該設(shè)備集成了專為運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計(jì)的專用集成電路（ASIC）芯片，在以較快的速度運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)又能保持較低的功耗。NVIDIA Jetson TX2是一款面向人工智能的超級計(jì)算機(jī)模塊，采用Maxwell GPU架構(gòu)引入了流式處理多處理器（SM）的全新設(shè)計(jì)，支持32位單精度和16位半精度運(yùn)算。Jetson NANO在TX1基礎(chǔ)上弱化了數(shù)據(jù)流，并顯著改善了電源管理，擁有128個(gè)CUDA核心，支持32位單精度計(jì)算和16位半精度計(jì)算，其中半精度計(jì)算的吞吐量為單精度的兩倍。

對于Jetson TX2與而言，在發(fā)布時(shí)研究人員分析了其與深度學(xué)習(xí)模型的適配度，該實(shí)驗(yàn)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不同框架下實(shí)現(xiàn)，對比TensorFlow、Caffe2、PyTorch等框架不同時(shí)的能耗和延遲情況［4］。隨后有多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于TX2的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化，以及調(diào)整TX2的工作模式來分析比較不同模式下運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的延遲與能耗［5］。

目前有實(shí)驗(yàn)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署在Jetson NANO邊緣計(jì)算板上，該實(shí)驗(yàn)對具有實(shí)時(shí)語義分段功能的卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，使用深度卷積來代替普通卷積以減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，獲得了較好的效果，平均交并比和FPS分別達(dá)到54.47%和47［6］。

FPGA原是作為一種半集成電路而出現(xiàn)的，目前多用來加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在2007年，研究人員將前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署在FPGA上，根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能劃分與片上資源提出了通量估計(jì)器，通過該估算器部署神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能以較低的消耗運(yùn)行前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［7］。目前已經(jīng)有研究人員將流行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署在FPGA上，對YOLO V2中的部分參數(shù)進(jìn)行二值化處理，實(shí)現(xiàn)了基于混合精度的YOLO V2架構(gòu)［8］。

當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提升性能的方法主要有避免使用全連接層［9］、縮小卷積核與減少通道數(shù)、將下采樣時(shí)間盡量提前、對訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行剪枝操作［10］、量化權(quán)重、使用霍夫曼編碼方式表示權(quán)重等6種。其中前4種都可減少計(jì)算量與訪存量，量化權(quán)重與用編碼方式表示權(quán)重可以降低訪存量。使用建立Roofline模型查看在當(dāng)前平臺(tái)上運(yùn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受何種因素限制，進(jìn)而采取對應(yīng)的方式來加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

目前較少有在EDGE TPU計(jì)算板上的應(yīng)用及Jetson NANO與EDGE TPU的性能功耗評測分析，且多數(shù)的Roofline研究只涉及性能測量與比較。本文對多種開發(fā)板的理論速度與實(shí)際測量速度使用Roofline模型進(jìn)行建模，比較不同平臺(tái)的理論與實(shí)際模型，測量分析模型性能，并對設(shè)備性能功耗進(jìn)行比較，為設(shè)備的商業(yè)化應(yīng)用提供更全面的應(yīng)用數(shù)據(jù)。

1 本文研究方法

本文選用Roofline［11］模型作為評判性能的工具，測量計(jì)算出各個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不同平臺(tái)運(yùn)行時(shí)的幀率與運(yùn)行推斷時(shí)所需算力，構(gòu)建各個(gè)基于不同平臺(tái)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Roofline模型，以直觀地觀測出模型的性能，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可對在邊緣設(shè)備上運(yùn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化以提高運(yùn)行速率。

利用外置功耗測量設(shè)備，分別測量出不同平臺(tái)的待機(jī)與工作功耗，再根據(jù)模型運(yùn)行速度計(jì)算得出效能功耗比模型［12］，即可對比觀測各個(gè)平臺(tái)待機(jī)時(shí)功率與運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能能耗比，本文在實(shí)驗(yàn)中添加了服務(wù)器級別GPU（K40、K80）作為對照組進(jìn)行對比，來突出邊緣計(jì)算具有較大的優(yōu)勢與極高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

EDGE TPU具有4 TOPS的峰值計(jì)算量與50 Gb/s的帶寬，EDGE TPU又僅支持通過量化所產(chǎn)生的8位整型數(shù)據(jù)運(yùn)算，8位整型乘法處理器占用的面積與消耗的能量均為IEEE754定義的FP16處理器的1/6。因此，EDGE TPU計(jì)算板在以較快的速度運(yùn)行的同時(shí)，又能保持較低的功耗。

TPU在運(yùn)行之前的準(zhǔn)備工作中的重要數(shù)據(jù)處理步驟是量化，雖然量化會(huì)在一定程度上降低精度，但一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型擁有較好的泛化能力，表1所示為單精度（FP32）和8位定點(diǎn)權(quán)重參數(shù)的Mobile Net V2［13］及Inception V4［14］的正確率，可見進(jìn)行量化之后并沒有對精度造成較大的影響。

表1 不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單精度和8位定點(diǎn)參數(shù)的正確率Table1 Accuracy of single precision and 8-bit fixed point parameters of different neural networks

本文采用常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為實(shí)驗(yàn)對象，如Mobile Net［15］與Inception［16］均為當(dāng)前市場化應(yīng)用較多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。4種常用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本情況如表2所示。

表2 4種常用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本情況Table 2 Basic situation of four common neural networks

2 Roofline模型的性能分析

為觀察測試網(wǎng)絡(luò)模型在3個(gè)平臺(tái)上的表現(xiàn)，本文引入Roofline模型，該模型是一種常用的設(shè)備性能分析模型，它將計(jì)算性能、計(jì)算密度和存儲(chǔ)性能等相關(guān)聯(lián)［17］，并在一個(gè)二維坐標(biāo)系中表示出來，Roofline模型背后的假設(shè)是網(wǎng)絡(luò)模型不適合片上高速緩存，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在Roofline模型中的位置受計(jì)算力限制與內(nèi)存帶寬限制。在二維坐標(biāo)系中，Y軸為每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)，因此峰值計(jì)算速率形成Roofline模型中的“平坦”部分［18］，X軸是計(jì)算強(qiáng)度，測量為每個(gè)訪問的DRAM字節(jié)的浮點(diǎn)運(yùn)算，內(nèi)存帶寬是每秒字節(jié)數(shù)。因?yàn)椋∣PS/s）（/OPS/B）=Byte/s，變成了Roofline的“傾斜”部分。如果沒有足夠大的計(jì)算強(qiáng)度，網(wǎng)絡(luò)模型會(huì)受到內(nèi)存帶寬限制，并且在坐標(biāo)系中位于傾斜部分下方。

為測繪計(jì)算平臺(tái)的Roofline曲線，需要計(jì)算計(jì)算平臺(tái)理論上的算力峰值和顯存帶寬：

其中，OPS表示算力，PRO用來表示處理器數(shù)量，OpePerSec表示每個(gè)處理器每秒鐘操作數(shù)，將TX2、NANO和EDGE TPU計(jì)算板的參數(shù)分別代入式（1），得出的算力分別為1.3 TOPS、471 GOPS和4 TOPS（8位）。服務(wù)器級別GPU（K80、K40）的峰值算力數(shù)據(jù)也可計(jì)算得出8.74 TFLOPS（FP32）和4.29 TFLOPS（FP32）。

Roofline模型的另一個(gè)重要元素為內(nèi)存帶寬，峰值帶寬的計(jì)算公式如式（2）所示：

其中，BW代表帶寬，ClockRate代表時(shí)鐘頻率，BitW代表位寬。將參數(shù)代入式（2）可得K80、K40、TX2、NANO、Coral的理論帶寬分別為480 Gb/s、288 Gb/s、58.3 Gb/s、25.6 Gb/s和50 Gb/s。

根據(jù)所得算力及帶寬信息，可得3塊邊緣計(jì)算板的理論Roofline模型如圖1所示。

圖1 TX2、NANO、Coral的Roofline模型Fig.1 Roofline model of TX2,NANO,Coral

圖1中的Roofline圖像采用對數(shù)直角坐標(biāo)系，Coral算力值采用處理INT8數(shù)據(jù)類型算力值，從圖1可以看出，Coral算力約為TX2算力的3倍和NANO的8倍。這是由于Coral開發(fā)板承載了EDGE TPU，該TPU改進(jìn)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的部署以及使用量化8位定點(diǎn)數(shù)據(jù)的方式來加速計(jì)算。計(jì)算板的顯存帶寬受硬件實(shí)現(xiàn)、線路上的電磁干擾和其他諸多復(fù)雜的物理因素的影響［19］。使用CUDA自帶的測試帶寬的應(yīng)用實(shí)例Bandwidth，實(shí)際測得TX2、NANO的帶寬分別為33.2 Gb/s、14.7 Gb/s，另測得Coral的實(shí)際帶寬約為30 Gb/s 。

TX2的實(shí)際Roofline模型如圖2所示。

圖2 TX2的實(shí)際Roofline模型Fig.2 Actual Roofline model of TX2

當(dāng)計(jì)算強(qiáng)度到達(dá)40 OPS/Byte時(shí)，算力達(dá)到峰值，在坐標(biāo)系中即平行X軸向右。雖然在實(shí)際中還有其他因素的影響使各個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖2中的位置并不能坐落在Roofline線上，但是每一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與Roofline線峰值的距離都反映了調(diào)整操作強(qiáng)度的好處［20］。對應(yīng)Y軸距離的差值反映的是緩存阻塞之類的問題。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)落點(diǎn)在斜線部分時(shí)，因受到帶寬限制，故不能達(dá)到計(jì)算平臺(tái)的峰值［21］。

NANO的實(shí)際Roofline模型如圖3所示。

圖3 NANO的實(shí)際Roofline模型Fig.3 Actual Roofline model of NANO

當(dāng)計(jì)算強(qiáng)度到達(dá)32 OPS/Byte時(shí)，算力達(dá)到峰值，在坐標(biāo)系中即平行X軸向右。若要建立關(guān)于EDGE TPU計(jì)算板的Roofline模型，則要對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行量化，由于原來的權(quán)重不適應(yīng)EDGE TPU，因此要將浮點(diǎn)型參數(shù)變?yōu)檎蛥?shù)，此外，參數(shù)的變化要求重新定義計(jì)算強(qiáng)度，因此，將計(jì)算強(qiáng)度改為每字節(jié)計(jì)算數(shù)［22］。

當(dāng)計(jì)算強(qiáng)度到達(dá)136 OPS/Byte時(shí)，算力達(dá)到峰值，在坐標(biāo)系中即平行X軸向右。從圖4可以看出，Coral中的4種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行結(jié)果較好。

圖4 Coral的實(shí)際Roofline模型Fig 4 Actual Roofline model of Coral

如圖5所示，EDGE TPU計(jì)算板的Roofline的“傾斜”部分較長，峰值最高，在Coral上運(yùn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)均有較好的結(jié)果，4種網(wǎng)絡(luò)中的3種算力值最高，這主要有以下2種原因：

1）經(jīng)過量化處理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算強(qiáng)度變大，在Roofline的圖像上自然要向右移，對于受帶寬限制（斜線區(qū)域）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改善較大。

2）Coral集成的EDGE TPU算力值較高，對于處于算力值限制（平行線區(qū)域）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有明顯提升。

圖5 合并后的實(shí)際Roofline模型Fig.5 Combined actual Roofline model

從圖5可以看出：TX2的表現(xiàn)趨于穩(wěn)定，TX2對于Inception V4的執(zhí)行取得了最佳結(jié)果，在3種邊緣計(jì)算版中具有最高帶寬；TX2具有1.3T的峰值算力，具有強(qiáng)大的靈活性，支持多種深度學(xué)習(xí)框架，可以用來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

NANO的Roofline形狀和TX2基本相似（NANO的構(gòu)造和TX1的大部分參數(shù)相同），各個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算強(qiáng)度一樣，但基于TX2運(yùn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算力值約為基于NANO的2倍，比TX2和NANO在大小和價(jià)格上的差距要小得多。

3 功耗測量與分析

當(dāng)設(shè)備在投入應(yīng)用時(shí)，能耗往往是一個(gè)需要考慮的問題。本文使用性能/瓦特作為一個(gè)評測標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行分析，并且引入K40與K80［23］進(jìn)行比較。

功耗測量設(shè)備型號為EXTECH-380803，誤差為±0.9%，輸入電流為220 V交流電。嵌入式設(shè)備能耗數(shù)據(jù)來自整塊板卡能耗，K40與K80能耗數(shù)據(jù)來自顯卡內(nèi)部寄存器取值。測量Jetson NANO的能耗值示意圖如圖6所示。

圖6 Jetson NANO能耗值測量示意圖Fig.6 Schematic diagram of Jetson NANO energy consumption value measurement

雖然K80與K40只支持單雙精度計(jì)算，但算力峰值仍超出3個(gè)邊緣計(jì)算平臺(tái)算力峰值，帶寬遠(yuǎn)超邊緣計(jì)算板帶寬，K40與K80廣泛應(yīng)用于云端服務(wù)器［24-25］。

K80、K40的Roofline模型如圖7所示。

圖7 K80、K40的Roofline模型Fig.7 Roofline model of K80,K40

3.1 空閑功耗測量與分析

為測量出準(zhǔn)確的空閑能耗，設(shè)邊緣計(jì)算板均為開機(jī)后未運(yùn)行任何任務(wù)的情況下，K80與K40均為P8［26］狀態(tài)。

NANO、Coral、TX2、K40、K80的待機(jī)功率值如圖8所示。其中，NANO、TX2、Coral為整個(gè)開發(fā)板功耗，K40與K80為單GPU在P8狀態(tài)下的功耗可以看出，NANO實(shí)測最低為1.4 W，約為K80的1/40和TX2的1/5，邊緣開發(fā)版中TX2待機(jī)功率最高。

圖8 NANO、Coral、TX2、K40、K80待機(jī)功率Fig.8 Standby power of NANO,Coral,TX2,K40,K80 computing boards

3.2 工作功耗測量與分析

在工作狀態(tài)下測量各個(gè)平臺(tái)的功耗［27］如圖9所示。可以看出，雖然K40與K80具有相當(dāng)高的算力與帶寬［28］，但在此項(xiàng)比值中卻占據(jù)了后兩名，邊緣計(jì)算板的性能功耗比對于服務(wù)器來說有較大的優(yōu)勢，其中EDGE TPU計(jì)算板的性能功耗比較高，遠(yuǎn)高于其他邊緣開發(fā)板。Coral性能功耗比約為NANO的12倍和TX2的6倍，這意味著執(zhí)行同樣的任務(wù)，使用EDGE TPU計(jì)算板可以極大地節(jié)約能源［29］。

圖9 NANO、Coral、TX2、K40、K80算力與功耗比值Fig.9 NANO,Coral,TX2,K40,K80 computing power to power consumption ratio

本文分別測試了4種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MNSSD V1、MNSSD V2、Inception V1、Inception V4）在3種硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 4種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of four neural networks

4 模型改進(jìn)

將傳統(tǒng)模型VGG 16［30］在TX2上運(yùn)行，每秒處理圖片數(shù)約為31張，Roofline模型如圖10所示。該模型在坐標(biāo)系中的位置較為靠近斜線部分，說明在TX2上運(yùn)行VGG 16時(shí)受訪存量限制。為加快模型運(yùn)行速度，更多地利用TX2的性能，對傳統(tǒng)的VGG 16網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，將卷積核維度縮減到原來的1/5左右，減少通道數(shù)量以達(dá)到減小計(jì)算量與訪存量的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在準(zhǔn)確度下降僅為5%左右的前提下，將每秒圖片處理數(shù)提升至255張左右，極大地加快了模型運(yùn)行速度。同時(shí)提高了TX2的資源利用率，將每秒操作數(shù)提升至0.83 TOPS左右。

圖10 運(yùn)行在TX2上的Roofline模型Fig.10 Roofline model running on TX2

5 結(jié)束語

本文以邊緣計(jì)算板作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別建立了TX2、NANO、Coral開發(fā)板的理論與實(shí)際Roofline模型并進(jìn)行綜合比較，根據(jù)量化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算算力和訪存量，并分析TX2、NANO、Coral 3塊邊緣計(jì)算板及云端服務(wù)器的功耗性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EDGE TPU計(jì)算板具有較高算力值與最優(yōu)性能功耗比，其執(zhí)行速度約為TX2的1.5倍和NANO的3倍，Coral的性能功耗比約為TX2的6倍和NANO的12倍。下一步將對邊緣設(shè)備上運(yùn)行的多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方式及其組合進(jìn)行比較分析，研究在設(shè)備運(yùn)算性能受限情況下如何最大化地優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。