Intel® MKL-DNN on PaddlePaddle: Design Doc

我们计划将英特尔深度神经网络数学库Intel MKL-DNN (Intel Math Kernel Library for Deep Neural Networks)集成到PaddlePaddle， 充分展现英特尔平台的优势，有效提升PaddlePaddle在英特尔架构上的性能。

Figure 1. PaddlePaddle on IA

近期目标

• 完成常用Layer的MKL-DNN实现。
• 完成常见深度神经网络VGG，GoogLeNet 和 ResNet的MKL-DNN实现。

目前的优化，主要针对PaddlePaddle在重构之前的代码框架以及V1的API。 具体的完成状态可以参见这里。

Contents

• Overview
• Actions
  • CMake
  • Matrix
  • Layers
  • Activations
  • Parameters
  • Gradients
  • Unit Tests
  • Python API
  • Benchmarking
  • Others
• Design Concerns

Overview

我们会把MKL-DNN会作为第三方库集成进PaddlePaddle，与其他第三方库一样，会在编译PaddlePaddle的时候下载并编译MKL-DNN。

同时，为了进一步提升PaddlePaddle在基本数学运算的计算速度，我们也将MKLML即(MKL small library[1]) 作为另一个第三方库集成进PaddlePaddle，它只会包括生成好的动态库和头文件。

MKL，MKLML以及MKL-DNN三者关系如下表：

| Name | Open Source | License | Descriptions | | :———- | :————— | :———- | :———— | | MKL | No | Proprietary | Accelerate math processing routines | | MKLML | No | Proprietary | Small package of MKL, especially for Machine Learning | | MKL-DNN | Yes | Apache 2.0 | Accelerate primitives processing routines especially for Deep Neural Networks |

MKLML可以与MKL-DNN共同使用，以此达到最好的性能。

Figure 2. PaddlePaddle with MKL Engines

Actions

添加的相关文件和目录结构如下：

PaddlePaddle/Paddle
├── ...
├── cmake/
│   ├── external/
│   │   ├── ...
│   │   ├── mkldnn.cmake
│   │   └── mklml.cmake
└── paddle/
    ├── ...
    ├── math/
    │   ├── ...
    │   └── MKLDNNMatrix.*
    └── gserver/
        ├── ...
        ├── layers/
        │   ├── ...
        │   └── MKLDNN*Layer.*
        ├── activations/
        │   ├── ...
        │   └── MKLDNNActivations.*
        └── tests/
            ├── ...
            ├── MKLDNNTester.*
            └── test_MKLDNN.cpp

CMake

在CMakeLists.txt中提供一个与MKL有关的总开关：WITH_MKL，它负责决定编译时是否使用MKLML和MKL-DNN

• WITH_MKLML 控制是否使用MKLML库。 当打开WITH_MKL时，会自动使用MKLML库作为PaddlePaddle的CBLAS和LAPACK库，同时会开启Intel OpenMP用于提高MKLML的性能。 编译时会把对应的头文件和库放在build/third_party/install/mklml/*目录下对应的地方。 MKLML的库目前都是动态库，主要包括libiomp5.so和libmklml_intel.so。
• WITH_MKLDNN 控制是否使用MKL-DNN。 当开启WITH_MKL时，会自动根据硬件配置[2]选择是否编译MKL-DNN。 编译时会把对应的头文件和库放在build/third_party/install/mkldnn/*目录下对应的地方。 MKL-DNN的库目前只有动态库libmkldnn.so。

Matrix

目前在PaddlePaddle中数据都是以NCHW的格式存储，但是在MKL-DNN中的排列方式不止这一种。 所以我们定义了一个MKLDNNMatrix用于管理MKL-DNN数据的不同格式以及相互之间的转换。

Figure 3. MKLDNNMatrix

Layers

所有MKL-DNN的Layers都会继承于MKLDNNLayer，该类继承于PaddlePaddle的基类Layer。 在MKLDNNLayer中会提供一些必要的接口和函数，并且会写好forward和backward的基本逻辑， 子类只需要使用定义好的接口，实现具体的函数功能即可。

Figure 4. MKLDNNLayer

每个MKLDNNLayer都包含用于内部存储和外部存储的一系列MKLDNNMatrix：

• 内部存储（internel memory）：inVal_,inGrad_,outVal_和outGrad_，分别代表输入数据，输入梯度，输出数据和输出梯度。
• 外部存储（external memory）：都是以ext开头，比如extInVal_和extInGrad_，它们主要是用于， 当数据格式与PaddlePaddle默认的NCHW格式不匹配时，转换内存的工作。 需要注意的是，PaddlePaddle的activation会直接使用output_.value和output_.grad， 所以extOutVal_和extOutGrad_必须分别与output_.value和output_.grad共享内存， 如果不需要外部存储用于转换，那么对应的内部存储也会与它们共享内存。
• 转换函数（resetXXX）： 包括resetInValue，resetInGrad，resetOutValue和resetOutGrad， 表示对输入数据，输入梯度，输出数据和输出梯度的转换。 这些函数会根据输入参数重新设置内部和外部存储，当然这两者也可以相等，即表示不需要转换。

注意：每个MKLDNNlayer的子类只需要使用内部存储就可以了，所有外部的转换工作都会在reset系列函数中都准备好。

Activations

在重构前的PaddlePaddle中，激活函数是独立于Layer的概念，并且输入输出都是共用一块内存， 所以添加了对应的MKLDNNActivation来实现，方式类似于MKLDNNLayer。

Parameters

对于有参数的层，我们会保证MKLDNNLayer使用的参数与PaddlePaddle申请的buffer共用一块内存。 如果存在数据排列格式不一样的情况时，我们会在网络训练之前把格式转换为MKL-DNN希望的格式， 在训练结束的时候再保存为PaddlePaddle的格式，但是整个训练过程中不需要任何转换。 这样既使得最终保存的参数格式与PaddlePaddle一致，又可以避免不必要的转换。

Gradients

由于MKL-DNN的操作都是直接覆盖的形式，也就是说输出的结果不会在原来的数据上累加， 这样带来的好处就是不需要一直清空memory，节省了不必要的操作。 但是注意的是，当网络出现分支且在backward的时候，需要累加不同Layer传过来的梯度。 所以在MKLDNNlayer中实现了一个merge的方法，此时每个小分支的Input Gradient 会先临时保存在MKLDNNMatrix中，由分支处的Layer负责求和，并把结果放到当前层的output_.grad中。 所以整体上，在实现每个子类的时候就不需要关心分支的事情了。

Figure 5. Merge Gradients

Unit Tests

我们会添加test_MKLDNN.cpp和MKLDNNTester.*用于MKL-DNN的测试。 测试分为每个Layer（或Activation）的单元测试和简单网络的整体测试。 每个测试会对比PaddlePaddle中CPU算出的结果与MKL-DNN的结果，小于某个比较小的阈值认为通过。

Python API

目前只考虑v1 API。

计划在python/paddle/trainer/config_parser.py里面添加use_mkldnn这个选择，方便用户选择使用MKL-DNN的layers。

具体实现方式比如：

use_mkldnn = bool(int(g_command_config_args.get("use_mkldnn", 0)))
if use_mkldnn
    self.layer_type = mkldnn_*

所有MKL-DNN的layer_type会以*mkldnn_*开头，这些会在MKLDNN*Layer注册layer的时候保证，以示区分。

同时,会在paddle/utils.Flags中添加一个use_mkldnn的flag，用于选择是否使用MKL-DNN的相关功能。

Benchmarking

会添加相应的脚本在这里，用于测试和对比在使用MKL-DNN前后的CNN网络性能。 测试的性能对比结果会在IntelOptimizedPaddle.md

Others

1. 如果在使用MKL-DNN的情况下，会把CPU的Buffer对齐为4096，具体可以参考MKL-DNN中的memory。
2. 深入PaddlePaddle，寻找有没有其他可以优化的可能，进一步优化。比如可能会用OpenMP改进SGD的更新性能。

Design Concerns

为了更好的符合PaddlePaddle的代码风格[3]，同时又尽可能少的牺牲MKL-DNN的性能[4]。

我们总结出一些特别需要注意的点：

1. 使用**deviceId_**。为了尽可能少的在父类Layer中添加变量或者函数， 我们决定使用已有的deviceId_变量来区分layer的属性，定义-2为MKLDNNLayer特有的设备ID。
2. 重写父类Layer的init函数，修改deviceId_为-2，代表这个layer是用于跑在MKL-DNN的环境下。
3. 创建MKLDNNBase，定义一些除了layer和memory相关的类和函数。 包括MKL-DNN会用到MKLDNNStream和CPUEngine，和未来可能还会用到FPGAEngine等。
4. 如果MKL-DNN layer的后面接有cpu device，那么就会使output_.value与extOutVal_共享内存， 同时数据格式就是NCHW，这样下一个cpu device就能拿到正确的数据。 在有普通的CPU layer时， extOutVal_和extOutGrad_的格式始终是NCHW或者NC。

References

1. MKL small library是Intel MKL的一个子集。 主要包括了深度学习相关的数学原语与操作，一般由MKL-DNN在发布新版本时一起更新。
2. MKL-DNN System Requirements。 目前在PaddlePaddle中，仅会在支持AVX2指令集及以上的机器才使用MKL-DNN。
3. 原来的方案会引入nextLayer的信息。 但是在PaddlePaddle中，无论是重构前的layer还是重构后的op，都不会想要知道next layer/op的信息。
4. MKL-DNN的高性能格式与PaddlePaddle原有的NCHW不同(PaddlePaddle中的cuDNN部分使用的也是NCHW，所以不存在这个问题)。 所以需要引入一个转换方法，并且只需要在必要的时候转换这种格式，才能更好的发挥MKL-DNN的性能。