AI編譯器與傳統編譯器的區別與聯系

總結整理自知乎問題 針對神經網絡的編譯器和傳統編譯器的區別和聯系是什么？。

文中提到的答主的知乎主頁：@金雪鋒、@楊軍、@藍色、@SunnyCase、@貝殼與知了、@工藤福爾摩

筆者本人理解

為了不用直接手寫機器碼，我們可以用匯編語言；為了不用手寫匯編，我們開發出了高級語言，并用編譯器將我們寫的高級語言編譯成匯編。因此，傳統編譯器主要解決的問題是要降低編程的難度，其次是優化程序性能。其輸入是高級語言，輸出是硬件可執行碼。

而對于神經網絡編譯器，其輸入是一個深度學習模型（這里可以看作是一種 DSL），輸出也是硬件可執行碼。即神經網絡編譯器通常是不需要傳統編譯器的厚重的前端部分（即詞法分析、語法分析、語義分析等）的，其輸入直接就是一種描述深度學習模型的IR，我們對這個輸入進行優化，并針對特定的硬件目標生成可執行代碼。對于深度學習模型，我們設計神經網絡編譯器主要是為了提高推理時的速度。即神經網絡編譯器主要解決的問題是要優化模型的推理性能。

另外，為了同時前端簡單方便地使用 Python 代碼和后端對算子進行高效優化，神經網絡編譯器通常采用多層IR的形式。

由于神經網絡編譯器是近幾年才開始大規模發展的領域，因此，其在設計上會借用一些傳統編譯器的通用代碼優化方式，如表達式化簡，常量折疊等。而更關鍵的是，作為一種專用于深度模型推理的DSL，神經網絡編譯器可以根據AI模型的常見計算范式（如矩陣乘法、卷積等），做一些更強、更激進的假設，有更 domain specific 的優化。

以下是各位知乎大佬的回答：

@金雪鋒

一、神經網絡編譯器出現的背景和歷史

1、早期深度學習框架，重點是框架和庫，與編譯器關系相對較弱

比如Tensorflow早期版本，在神經網絡/深度學習的編程模型上，主要進行了graph/圖和op/算子兩層抽象

• 圖層通過聲明式的編程方式，然后通過靜態圖的方式進行執行，這里其實也做了一些編譯器的事情，這里包括硬件無關和硬件相關的優化：硬件無關的優化包括編譯器通用的優化，如表達式化簡、常量折疊，也包括與深度學習/神經網絡強相關的，如自動微分等；硬件相關的優化包括簡單的算子融合、內存分配優化等。
• 算子層通常采用手寫的方式，比如GPU上基于CUDA/cuDNN。

這種方式遇到幾個問題：

• 表達上，語法不是Python原生的，算法工程師使用的易用性不夠好
• 更多的Transform出現，比如并行、量化、混合精度等
• 算子粒度和邊界提前確定后，無法充分發揮硬件的性能
• 硬件廠商提供的算子庫也不一定是性能最優的，在SIMT和SIMD的架構中，scheduling、tilling都是有很大的空間，在具體到一個模型，shape確定的情況下，開發者還有可能開發出性能更高的算子。
• AI專用芯片出現（Google TPU、華為Ascend等），3與4的情況加劇。

2、后期引入大量編譯器的技術進行改進

• 表達上的改進(Pytorch/TorchScript、JAX)

Pytorch的Eager Model是一種解決易用性的方案，雖然基本上還是圖層和算子兩層的抽象，但是整個語法基本上是Python Native的，讓算法工程師比較容易上手；不過這個方案在運行的時候基于Python解釋器的能力，不是一種高性能的解決方案，本身與神經網絡的編譯器關系不大；但是其表達的方式成為后面框架參考的標桿，圖層的神經網絡編譯器主要就是考慮如何把這樣表達轉換到圖層的IR進行優化，目前主要有兩種方式：

AST-Based：以Pytorch TorchScript為例，主要通過Python的修飾符，把Python代碼的AST拿到，然后變換成圖層的IR，進行編譯優化。

Tracing-Based：以JAX為例，主要把Python代碼假執行一遍，保存執行序列，基于執行序列變換到圖層IR進行編譯優化。

兩種方案各有優缺點，第一種方案實現復雜，第二種方案在一些處理上有限制(比如控制流的處理)。

• 性能上的優化(XLA/TVM/TC)

性能上的優化思路其實比較統一，就是打開圖和算子的邊界，進行重新組合優化。

XLA：基本上的思路是把圖層下發的子圖中的算子全部打開成小算子，然后基于這張小算子組成的子圖進行編譯優化，包括buffer fusion、水平融合等，這里的關鍵是大算子怎樣打開、小算子如何重新融合、新的大的算子(kernel)怎樣生成，整體設計主要通過HLO/LLO/LLVM層層lowering實現，所有規則都是手工提前指定。

TVM：分為Relay和TVM兩層，Relay主要關注圖層，TVM主要關注算子層，總體思路與XLA是類似的，也是拿到前端給一張子圖進行優化，Relay關注算子間的融合、TVM關注新的算子和kernel的生成，區別在于TVM是一個開放的架構，Relay目標是可以接入各種前端，TVM也是一個可以獨立使用的算子開發和編譯的工具（基于Halide IR，最新演進到自己定義的TIR），TVM在算子實現方面采用了compute和schedule分離的方案，開發人員通過compute來設計計算的邏輯，通過schedule來指定調度優化的邏輯。

TC(Tensor Comprehensions)：開發者發現算子的計算邏輯的開發是比較容易的，但是schedule的開發非常困難，既要了解算法的邏輯又要熟悉硬件的體系架構，更重要的是，前面提到圖算邊界打開后，小算子融合后，會生成新的算子和kernel，這些新的算子compute是容易確定的（小算子compute的組合），但是schedule卻很難生成，所以傳統的方法就是事先定義一大堆schedule模板，萬一組合的新算子不在模板之內，性能就可能比較差，甚至出錯；那TC則希望通過Polyhedra model實現auto schedule，降低開發門檻，當然這個項目基本已經停更了，但是類似的工作在MLIR、MindSpore上還在不停發展。

• 圖層和算子層的IR表達

在神經網絡編譯器發展過程中，有多種IR的出現，各有特點：

圖層IR：樸素的DataflowIR、函數式IR、函數式圖IR、SSA風格IR

算子層IR：HalideIR、LLVM等

圖算融合表達：MLIR

二、神經網絡編譯器與傳統編譯器的聯系與區別

1、神經網絡編譯器與傳統編譯器的相同點

神經網絡編譯器和傳統編譯器一樣，也是有前端表達、硬件無關優化和硬件相關優化、最后的codegen等，整體結構是類似的，這一塊就不多展開了。

2、神經網絡編譯器與傳統編譯器的區別

主要體現在神經網絡編譯器像數據庫的SQL引擎/向量化引擎一樣是一個特定領域的編譯器，這些領域特征包括：以Python為主的動態解釋器語言的前端、多層IR設計（圖層/算子層/codegen）、面向神經網絡的特定優化（自動微分、量化/混合精度、大規模并行、張量運算/循環優化等）。

• 編譯前端解析

  與傳統編譯器不同，神經網絡編譯器通常不需要lexer/parser，而是基于前端語言（如Python）的AST將模型解析并構造為計算圖IR，側重于保留shape、layout等Tensor計算特征信息，當然部分編譯器還能保留控制流的信息。

  這里的難點在于，Python是一種靈活度極高的解釋執行的語言，像弱類型、靈活的數據結構等，而神經網絡編譯器本質上是偏靜態，兩者之間的完全轉化是不大可能的。

• 多層IR設計

  為什么需要多層IR設計，主要是為了同時滿足易用性與高性能這兩類需求。為了讓開發者使用方便，框架前端(圖層)會盡量對Tensor計算進行抽象封裝，開發者只要關注模型和粗粒度OP；而在后端算子性能優化時，又可以打破算子的邊界，從更細粒度的循環調度等維度，結合不同的硬件特點完成優化。因此，多層IR設計無疑是較好的選擇。

  High-level IR（圖層IR），如XLA的HLO，TVM的Relay IR以及MindSpore的MindIR等，重點關注非循環相關的優化。除了傳統編譯器中常見的常量折疊、代數化簡、公共子表達式等優化外，還會完成Layout轉換，算子融合等優化，通過分析和優化現有網絡計算圖邏輯，對原有計算邏輯進行拆分、重組、融合等操作，以減少算子執行間隙的開銷并且提升設備計算資源利用率，從而實現網絡整體執行時間的優化。

  Low-level IR，如TVM的TIR，HalideIR，以及isl schedule tree7等。針對Low-level IR主要有循環變換、循環切分等調度相關的優化，與硬件intrinsic映射、內存分配等后端pass優化。其中，當前的自動調度優化主要包含了基于搜索的自動調度優化（如ansor）和基于polyhedral編譯技術的自動調度優化（如TC和MindAKG）。

  有人可能會問，圖層和算子層的表達和編譯能否放在一起？也許可以，但是明顯看到這樣做面臨幾個挑戰：

  1、整圖展開到原子算子，看上去編譯的規模/復雜度指數級上升

  2、顯然圖編譯優化的問題和算子編譯優化的問題是有明顯的區別，一個關注變換和融合，另外一個關注循環優化，放在一起對編譯器實現的復雜度是個比較大的挑戰

  3、要看到硬件供應商和框架供應商目前是分開的，兩者總是需要一個邊界。

• 面向神經網絡的特定優化

  自動微分：BP是深度學習/神經網絡最有代表的部分，目前相對已經比較成熟，基于計算圖的自動微分、基于Tape和運算符重載的自動微分方案、基于source2source的自動微分都是現在主流的方案。

  并行優化：隨著深度學習的模型規模越來越大，模型的并行優化也成為編譯優化的一部分，包括：數據并行、算子級模型并行、Pipeline模型并行、優化器模型并行和重計算等

  張量計算/循環優化：循環優化其實是一個古老的編譯器的難題，在高性能計算領域，循環優化已經研究了幾十年，一直沒有很好的解決，但是看上去，深度學習/神經網絡領域的問題要簡單一點，原因是這個領域大量的以Dense的矩陣運算為主，不像高性能計算領域那么復雜(大量稀疏/非規則的矩陣和向量運算)，這為循環優化帶來了很大的空間，不過即便是這樣，自動scheduling、自動tilling、自動向量化這些理想的方案和技術也還遠遠沒有成熟。

  量化 /…：推理側常用的一些變換，不展開了

三、神經網絡編譯器未來的方向探討

編譯器形態：也許需要兩類編譯器同時存在，一類是面向極致高性能的AOT編譯器，同時這類編譯器對NPU更加友好；另外一類是JIT編譯器，適合與動態圖配合；

IR形態：需不需要MLIR這種統一的形態？

自動并行：配合Cost model，提供自動并行優化的能力；

自動Scheduling/Tilling/Tensorizing：可能很難全部做到，能支持大部分也可以。

@楊軍

關于AI編譯器和傳統編譯器的區別和聯系，藍色的圖（下圖）比較形象， 從形式上可以理解為是輸入和輸出的區別。AI編譯器的輸入是建模的DSL描述(可能是python，比如TensorFlow/PyTorch，也可能是Lua，比如上一代的Torch，還可能是Caffe時代的PB描述文件，以及如果自己手寫一個AI框架的自定義DSL)，輸出通常是傳統編譯器的輸入（LLVM IR也可以視為是廣義的傳統編譯器的輸入）。傳統編譯器的輸入是傳統編程語言描述的代碼，輸出的是硬件可執行碼。

透過形式，再深究一下背后的東西。AI編譯器和傳統編譯器的優化原理會有很多共通的地方，比如:

• 計算圖層面的循環不變量優化(Loop Invariant Node Motion)和高級語言層面的循環不變量優化(Loop Invariant Code Motion)。
• 計算圖層面的常量折疊和高級語言層面的常量折疊。
• 計算圖層面的peep hole optimization(模板匹配)以及高級語言層面的peep hole optimization。
• 計算圖層面的strength reduction優化(比如針對Transformer模型的冗余padding計算消除優化，這在LightSeq以及Faster Transformer的開源代碼里都可以看到)和高級語言層面的strength reduction優化。
• 將大量計算零碎算子進行fusion&codegen優化以減少AI框架和訪存overhead的優化，和將多條高級語言指令進行融合，減少中間變量的訪存操作，通過寄存器中轉優化，目的上是相似的(細節原理上是不同的)
• 還有類似TASO這樣的工作等等。

因為本質上都是在一種或多種表達形式上進行變換，而變換的目的是為了優化，優化的標的可能是性能、顯存/內存，通信量、功耗等等，這就涉及到了在計算圖上面結合不同的約束條件進行變換工作了。從這個層面來看，能看到大量的傳統編譯領域技術在AI編譯領域的應用，只是施加的層次不同。

與此同時，也會存在一些細節層面的區別。最大的一個區別，我個人認為是AI編譯器作為一個domain specific的compiler，其實多了不少可以利用這個domain特性使巧勁的地方，舉幾個例子：

• 最近有一些同行比較關注自動分布式并行。自動分布式并行可以在不同層面來進行推進，一種方式是在更靠近編譯的IR層(比如HLO IR以及TorchScript的IR)來完成自動并行策略的探索。另一種方式是在更靠近建模層的圖表示層來做，比如TF Graph/JAX Graph/PyTorch NN module。從系統極致角度來考慮，前者更為究竟，這是我看到G-shard以及MindSpore的作法，而從實現的工程量/效果回報速度來看，后者更為practical，這是我看到Horovod/DeepSpeed/Megatron的作法。

• 關于算子優化，也有不同的作法。一種是通過自動codegen的作法來進行批量化生成，另一種是通過手寫（或半手工，類似ATLAS這種計算庫里的作法)開發精細的kernel，獲得極致的性能。如果AI workload高度diversified，前者更有效率，如果AI workload呈現半收斂態，其實后者反而效率更高。而對于新硬件，又因為多出了show case和長尾case的不同考慮，讓這個問題變得更復雜了一丟丟。

• 結合一些workload甚至業務層面的特點，可以起到“四兩撥千斤”的優化效果。幾個比較具體的例子，推薦類模型涉及到ID類特征的處理，可能涉及到對字符串類源特征的處理，是提前在預處理環節對字符串做ID化，還是在模型里做ID化，對性能影響會非常明顯，而這個優化其實不需要復雜的系統優化技術就能達到。另一個例子是如果能夠對一些重要的建模庫進行干預，在模型寫法上，對后端AI框架更為友好，實際上能大大簡化后端優化的復雜性，Google開源出的Transformer的代碼其實就有TPU-friendly的痕跡。

這些巧勁得以發揮的一個關鍵原因，是因為當我們的視野集中在AI domain的關鍵workload時，我們可以結合這些workload的特性做一些看起來"overfit"，但實現效率更高的設計妥協。而傳統編譯器，因為打擊的workload多樣性更強（通用域編譯器和domain-specific編譯器的區別），所以在leverage workload特性上會更為謹慎，通常會以workload-agnostic的角度來提供優化手段，workload-specific的優化就往往上推到各自domain里了，比如在數據庫領域利用編譯思想進行JIT優化的工作。

一個更重要的問題我覺得是應該如何看待AI編譯器在AI系統中的地位和作用。我自己的觀點是"no silver bullet"。這就好比傳統系統領域，存在編譯器、庫(STL/glibc/…)，運行時這若干個component進行組合協同一樣，我們當然可以不使用STL，期望編譯器足夠的優秀，對于一個普通版本的STL alike的實現，也能通過編譯手段獲得極致性能，但這樣決策涉及到在編譯器上投入的effort是否值得就要仔細考慮了。在AI system領域，我認為同樣會有類似的分工。對于一個workload，一族workload，整個AI worload的全場景，我們應該如何在AI編譯器、AI底層庫、運行時、AI建模庫之間進行職能劃分，是一個很考驗系統設計能力的事情。如果再有機會對硬件設計也有干預，影響到programming model，device compiler的設計，那就是一個更具挑戰，也更有意思的事情了。

@SunnyCase

神經網絡編譯器或者深度學習編譯器（下稱 DL 編譯器）屬于一種領域特定編譯器，專門用于將神經網絡的訓練/推理部署到 CPU、GPU、NPU 上。它和傳統的編譯器有著類似的結構，有很多共用的部分，同時也有自己的側重點。

關于 DL 編譯器很多大佬在他們的回答中已經講了很多，我這邊結合個人經歷更多談一下 edge 端 DL 編譯器。

1. DL 編譯器產生的背景

早期神經網絡部署的側重點在于框架和算子庫。神經網絡可以由數據流圖來表示，圖上的節點就是算子（比如 Conv2D、BatchNorm、Softmax），節點之間的連接代表 Tensor。由于數據流圖很直觀，很多框架的 Runtime 采用了類似 Caffe 的方式，運行時通過一定的順序（例如直接 Post order DFS）分配 Tensor、調用算子庫就行了。因此那時候的優化重點在于優化算子庫的性能。

但隨著時間的發展這種直觀的部署方式也逐漸暴露出一些問題。

• 越來越多的新算子被提出，算子庫的開發和維護工作量越來越大

  比如提出一個新的 Swish，算子庫就要新增 Swish 的實現，還要有優化、測試。雖然你明白 Swish 就是由一些基礎的一元二元算子組成。

• NPU 的爆發導致性能可移植性成為一種剛需

  大多數 NPU 作為一種 ASIC 在神經網絡場景對計算、存儲和 data movement 做了特殊優化，使得它們對能效比相對 CPU、GPU 要好很多。在移動端和 edge 端越來越多的 NPU 開始出現。同時 NPU 的 ISA 千奇百怪，一般也缺乏 GCC、LLVM 等工具鏈，使得已有的針對 CPU 和 GPU 優化的算子庫很難短期移植到 NPU 上并充分利用硬件的能力達到較好的性能。

• 更多可優化的點得到關注

  早期 CPU 和 GPU 上帶寬問題不是很明顯，大家更多關注單個算子的性能。但在移動端和 edge 端的應用中人們逐漸遇到了帶寬跟不上算力的問題，而在這些 target 上增大帶寬意味著功耗和成本的上升，因此利用算子間的 fusion 和調度節省帶寬開始被重視起來。

2. 和傳統編譯器前端的異同

傳統編譯器多接受文本類型的編程語言，通過 lexer 和 parser 構造 token 和 AST。

DL 編譯器接收的一般是 DL 框架的模型文件，例如 TensorFlow 的 pb、PyTorch 的 pth，還有 ONNX 等。DL 編譯器一般把模型的導入模塊叫做 importer，它的工作就是將 DL 框架的模型轉換為 DL 編譯器的 IR，因此它只跟模型文件格式和 IR 表示耦合，要支持新的框架只需要新增一個 importer 就行了。

3. 和傳統編譯器中后端的異同

DL 編譯器和傳統編譯器一樣會使用 Constant Folding、DCE、CSE 等對 IR 進行優化。

除此之外 DL 編譯器還會有一些領域特定的圖優化：

• 合并冗余、消除無意義的 Transpose、Reshape、Pad
• 合并 BatchNorm 到 Conv2D、MatMul
• 對于先 Add 后激活的殘差結構可以將一路輸入作為另一路 Conv2D 的初始值

目前大多數圖優化還是根據經驗人工編寫 rules，同樣有著工作量越來越大和容易陷入局部最優的問題。不過好在有一些研究已經開始解決這些問題。其中也有應用了傳統編譯器界研究了很多年的 Equality Saturation 技術。

圖優化之后 DL 編譯器還要進行一些 ISA 相關的優化：

• Layout：選擇 NCHW 還是 NHWC 還是 NCHW16c 等等對于算子在特定 ISA 上的效率會產生影響，需要納入 cost-model

• Tiling：一些 NPU 利用高速片上內存進行計算，容量一般都很有限，編譯器需要對大塊的計算進行 tiling。另外對于 Conv2D 這類數據復用很多的計算，如何進行 tiling 對性能和帶寬也有很大影響，因此選擇 tiling 參數也需要納入 cost-model

• Fusion：一些 NPU 可以 fusion Conv2D 和激活，甚至 fusion 一段一元二元算子組成的計算圖。編譯器需要根據硬件提供的能力和 cost-model 選擇合適的 fusion 區域，如果貪心去匹配也容易產生次優結果。

• Partition：對于 CPU、DSP、GPU、NPU 組成的異構系統，編譯器需要考慮它們的算力、帶寬、數據交換的代價對計算圖進行合理地切分。

這幾個優化有時候也需要同時考慮，比如 fusion 多層 Conv2D 時的 tiling 和單層又有不同。

因為很多場景下計算圖中的 Shape 是已知的，在方便了上述優化的同時還解鎖了下面幾個優化：

• 峰值最小的內存分配

  因為分配釋放序列和每次分配的 Buffer 大小我們是已知的，我們可以找到每個 Buffer 的最優分配位置使得內存峰值占用最小

• Concat 消除

  對于一些特殊情況我們可以通過將幾個算子輸出的 Buffer 分配到一起從而避免運行時 Concat 的發生。比較常見的是 densenet 中 Concat 的消除。

4. DL 編譯器特別的地方

DL 編譯器因為領域特定，還包含一些特別的功能。

• 稀疏

  稀疏存儲 Tensor 可以降低帶寬。一些 NPU 還可以通過跳過無用計算的方式加速稀疏 Tensor 的計算。

  DL 編譯器需要根據數據、Weights 的分布合理選擇對某個 Tensor 是否進行稀疏。

• 量化

  實踐證明很多場景下神經網絡的推理不需要太高的數據精度。int8 甚至 int4 已經在工業界落地。模型量化分為訓練感知量化（QAT）和訓練后量化（PTQ）。因為使用方便大部分用戶使用 PTQ，編譯器需要利用用戶提供的校準集（calibration dataset）得出需要量化的 Tensor 的數據分布，選擇非飽和或者飽和量化（具體細節不再細說）。

@貝殼與知了

感覺前面幾位大佬講的已經講地很細致深入了，這里稍微闡述一下我自己的理解 ^_

1. 先說兩者的本質

參考wiki上面對compiler的定義：

In computing, a compiler is a computer program that translates computer code written in one programming language (the source language) into another language (the target language).

https://en.wikipedia.org/wiki/Compileren.wikipedia.org/wiki/Compiler

從這一點上來看，AI編譯器和傳統編譯器的本質是一樣的，都是一類能夠將不同的編程語言所表達code進行轉換的program。我想這也是AI編譯器之所以被稱之為“編譯器”的原因。

2.再說兩者的聯系

因為AI編譯器出現的比較晚，所以在設計的時候往往會借鑒傳統編譯器的思路：

• 兩者的理念比較類似。兩者都力求通過一種更加通用，更加自動化的方式進行程序優化和代碼生成，從而降低手工優化的effort。
• 兩者的軟件結構比較類似。一般都分成前端，IR，后端等模塊。其中前端負責講不同的語言的描述轉換成統一的IR表述，后端通常會對IR表示進行優化，并且最終生成可執行的code。其中IR層用來解耦前端和后端，降低集成的effort。
• 兩者的優化方式比較類似。通常編譯器都會對code其進行一系列的優化，從而提高performance或者減少memory footprint等。AI編譯器和傳統編譯器都是通過在IR上面run各種各樣的pass進行優化的。而且，AI編譯器往往還會借鑒傳統編譯器中的一些pass，比如constant folding, dead code elimination等
• AI編譯器通常會依賴于傳統編譯器。AI編譯器在自己的IR上面對model進行優化之后，通常會有lowering的過程，將優化后的high-level IR轉換成傳統編譯器的low-level IR，然后依賴傳統編譯器去做最終的機器碼生成。

3.最后說兩者的區別

我認為兩者最根本的區別是應用場景的區別：

• AI編譯器是把一個深度學習模型轉換成executable。這里可以把一個深度學習模型理解成一段用DSL（Domain Specific Language）描述的code，而executable就是一段用硬件能理解的機器碼描述的code。這正好能對應到compiler的定義。
• 傳統編譯器是把一段用高級語言編寫的code轉換成executable。這里的高級語言可能是C/C++等。這也能夠對應到compiler的定義。

應用場景的區別導致了兩者在設計上的其他不同之處：

• 兩者的IR表達層次有區別。AI編譯器一般會有一套high-level的IR，用來更抽象的描述深度學習模型中常用的high-level的運算，比如convolution，matmul等。而傳統編譯器的IR更偏low-level，用于描述一些更加基本的運算，比如load，store，arithmetic等。有了high-level的IR，AI編譯器在描述深度學習模型的時候會更加方便。

• 兩者的優化策略有區別。AI編譯器因為是面向AI領域的，所以在優化的時候可以引入更多領域特定的先驗知識，從而進行更加high-level，更加aggressive的優化。比如說：

• • AI編譯器可以在high-level的IR上面做operator fusion等，而傳統編譯器在做類似的loop fusion的時候往往更加保守。
  • AI編譯器可以降低計算的精度，比如int8, bf16等，因為深度學習模型對計算精度不那么敏感。但傳統編譯器一般不會做這種優化。

@工藤福爾摩

針對deep learning的編譯器其實就是把應用限制在tensor operator上，做domain specific optimization。傳統編譯器面向的程序更加general。前者更偏上層，因為我只需要考慮deep models，而流行的deep models基本算子就卷積和矩陣乘，后者更偏底層。

以TVM和LLVM舉例，TVM拿到模型的計算圖，先用Relay做一下圖切分，算子融合，conv-bn-relu之類的，也有人做multiple conv fusion，這一步是graph-level的優化；之后再到算子層面，現在的deep compiler側重于循環優化，這部分在傳統編譯器里研究的很多，不過我看即使是deep learning領域，能做的domain specific的優化也沒多少，auto tuning做的主要還是tiling的參數 （AutoTVM / FlexTensor (ASPLOS 2020) / Ansor (OSDI 2020)）。做完operator-level的優化，TVM IR轉成LLVM IR，再借助LLVM的各種后端生成可執行代碼。

你要部署一個模型，后端可以選擇使用手調庫，比如廠商庫，MKLDNN, CuDNN，某些廠商的或者第三方的Blas庫，算子庫，比如阿里的MNN；另外一條路就是選擇deep compilers，做代碼生成。

先說deep compiler的缺點。首先編譯器能做的工作比較有限，實際的部署你要考慮到模型設計，模型壓縮之類的。另外因為比較偏上層，代碼生成部分交給了black-box compiler, 很難做到匯編級的調優，我能在tuning中避免shared memory bank conflicts，但是我并不能優化掉register bank conflicts，在現有的DSL中也缺乏底層的表達，相比于某些手調庫，最終性能不太行。比如說某些人專門做Winograd Conv的優化，性能都快接近理論極限了 （ppopp 2020）。其他的能想到的缺點都非常細節，我覺得未來很容易解決，比如GPU的prefetch，現在TVM里面，用prefetch怎么選它的size和offset基本都會導致性能變差。

但是，手調庫的缺點更加明顯，除了耗費人力外，他做的優化也是general的，無法cover到具體的input configuration。即使是針對某些input，選擇調用不同的kernel，這也非常有限。比如MKL-DNN，CuDNN雖然是廠商庫，代表了手調的state-of-the-art，他可能對3 * 3的卷積做了特殊優化，但對于某些大的feature map或者大的kernel size性能就很差。在某個具體網絡上，通過auto-tuning，超過MKL-DNN和CuDNN并不難。AMD的就更不用說了，他那個性能太差了，我針對CUDA做的調優，用hipify那種工具轉到ROCm上，性能都比它強。

自動調優最重要的是調優之后的性能，其次是調優的時間。

我對TVM了解比較深，對其他的deep compiler了解不多。有些答案提到的優化不了多少性能我還是不太同意。至少相比于主流框架Torch/TensorFlow來看，當然考慮了這些框架用的底層庫，在某個網絡上，比如ResNet-18，針對Input大小為(1, 3, 224, 224)做調優，超過他們還不算太難。因為我們做的就是inference optimization，實際部署模型的時候，input size都是運行時不再變的，所以這條路可行。

調優時間上，Ansor調一個網絡大概一天左右，比較短了。Facebook有工作做貪心搜索，能把調優時間降到一分鐘以內，最終性能也不算差 （MLSys 2021）。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的AI编译器与传统编译器的联系与区别的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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