quantization_api.md

# 量化

## 量化配置
通过字典配置量化参数

```python
TENSORRT_OP_TYPES = [
    'mul', 'conv2d', 'pool2d', 'depthwise_conv2d', 'elementwise_add',
    'leaky_relu'
]
TRANSFORM_PASS_OP_TYPES = ['conv2d', 'depthwise_conv2d', 'mul']

QUANT_DEQUANT_PASS_OP_TYPES = [
        "pool2d", "elementwise_add", "concat", "softmax", "argmax", "transpose",
        "equal", "gather", "greater_equal", "greater_than", "less_equal",
        "less_than", "mean", "not_equal", "reshape", "reshape2",
        "bilinear_interp", "nearest_interp", "trilinear_interp", "slice",
        "squeeze", "elementwise_sub", "relu", "relu6", "leaky_relu", "tanh", "swish"
    ]

_quant_config_default = {
    # weight quantize type, default is 'channel_wise_abs_max'
    'weight_quantize_type': 'channel_wise_abs_max',
    # activation quantize type, default is 'moving_average_abs_max'
    'activation_quantize_type': 'moving_average_abs_max',
    # weight quantize bit num, default is 8
    'weight_bits': 8,
    # activation quantize bit num, default is 8
    'activation_bits': 8,
    # ops of name_scope in not_quant_pattern list, will not be quantized
    'not_quant_pattern': ['skip_quant'],
    # ops of type in quantize_op_types, will be quantized
    'quantize_op_types': ['conv2d', 'depthwise_conv2d', 'mul'],
    # data type after quantization, such as 'uint8', 'int8', etc. default is 'int8'
    'dtype': 'int8',
    # window size for 'range_abs_max' quantization. defaulf is 10000
    'window_size': 10000,
    # The decay coefficient of moving average, default is 0.9
    'moving_rate': 0.9,
    # if True, 'quantize_op_types' will be TENSORRT_OP_TYPES
    'for_tensorrt': False,
    # if True, 'quantoze_op_types' will be TRANSFORM_PASS_OP_TYPES + QUANT_DEQUANT_PASS_OP_TYPES
    'is_full_quantize': False
}
```

**参数：**

- **weight_quantize_type(str)** - 参数量化方式。可选``'abs_max'``,  ``'channel_wise_abs_max'``, ``'range_abs_max'``, ``'moving_average_abs_max'``。如果使用``TensorRT``加载量化后的模型来预测，请使用``'channel_wise_abs_max'``。 默认``'channel_wise_abs_max'``。
- **activation_quantize_type(str)** - 激活量化方式，可选``'abs_max'``, ``'range_abs_max'``, ``'moving_average_abs_max'``。如果使用``TensorRT``加载量化后的模型来预测，请使用``'range_abs_max', 'moving_average_abs_max'``。，默认``'moving_average_abs_max'``。
- **weight_bits(int)** - 参数量化bit数，默认8, 推荐设为8。
- **activation_bits(int)** -  激活量化bit数，默认8， 推荐设为8。
- **not_quant_pattern(str | list[str])** - 所有``name_scope``包含``'not_quant_pattern'``字符串的``op``，都不量化, 设置方式请参考[*fluid.name_scope*](https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/api_cn/fluid_cn/name_scope_cn.html#name-scope)。
- **quantize_op_types(list[str])** -  需要进行量化的``op``类型，目前支持``'conv2d', 'depthwise_conv2d', 'mul' ``。
- **dtype(int8)** - 量化后的参数类型，默认 ``int8``, 目前仅支持``int8``。
- **window_size(int)** -  ``'range_abs_max'``量化方式的``window size``，默认10000。
- **moving_rate(int)** - ``'moving_average_abs_max'``量化方式的衰减系数，默认 0.9。
- **for_tensorrt(bool)** - 量化后的模型是否使用``TensorRT``进行预测。如果是的话，量化op类型为：``TENSORRT_OP_TYPES``。默认值为False.
- **is_full_quantize(bool)** - 是否量化所有可支持op类型。默认值为False.

!!! note "注意事项"

- 目前``Paddle-Lite``有int8 kernel来加速的op只有 ``['conv2d', 'depthwise_conv2d', 'mul']``, 其他op的int8 kernel将陆续支持。

## quant_aware
paddleslim.quant.quant_aware(program, place, config, scope=None, for_test=False)[[源代码]](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSlim/blob/develop/paddleslim/quant/quanter.py)
: 在``program``中加入量化和反量化``op``, 用于量化训练。


**参数：**

* **program (fluid.Program)** -  传入训练或测试``program``。
* **place(fluid.CPUPlace | fluid.CUDAPlace)** -  该参数表示``Executor``执行所在的设备。
* **config(dict)** -  量化配置表。
* **scope(fluid.Scope, optional)** -  传入用于存储``Variable``的``scope``，需要传入``program``所使用的``scope``，一般情况下，是[*fluid.global_scope()*](https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/develop/api_cn/executor_cn/global_scope_cn.html)。设置为``None``时将使用[*fluid.global_scope()*](https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/develop/api_cn/executor_cn/global_scope_cn.html)，默认值为``None``。
* **for_test(bool)** -  如果``program``参数是一个测试``program``，``for_test``应设为``True``，否则设为``False``。

**返回**

含有量化和反量化``operator``的``program``

**返回类型**

* 当``for_test=False``，返回类型为``fluid.CompiledProgram``， **注意，此返回值不能用于保存参数**。
* 当``for_test=True``，返回类型为``fluid.Program``。

!!! note "注意事项"

* 此接口会改变``program``结构，并且可能增加一些``persistable``的变量，所以加载模型参数时请注意和相应的``program``对应。
* 此接口底层经历了``fluid.Program``-> ``fluid.framework.IrGraph``->``fluid.Program``的转变，在``fluid.framework.IrGraph``中没有``Parameter``的概念，``Variable``只有``persistable``和``not persistable``的区别，所以在保存和加载参数时，请使用``fluid.io.save_persistables``和``fluid.io.load_persistables``接口。
* 由于此接口会根据``program``的结构和量化配置来对``program``添加op，所以``Paddle``中一些通过``fuse op``来加速训练的策略不能使用。已知以下策略在使用量化时必须设为``False``： ``fuse_all_reduce_ops, sync_batch_norm``。
* 如果传入的``program``中存在和任何op都没有连接的``Variable``，则会在量化的过程中被优化掉。



## convert
paddleslim.quant.convert(program, place, config, scope=None, save_int8=False)[[源代码]](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSlim/blob/develop/paddleslim/quant/quanter.py)


: 把训练好的量化``program``，转换为可用于保存``inference model``的``program``。

**参数：**

- **program (fluid.Program)** -  传入测试``program``。
- **place(fluid.CPUPlace | fluid.CUDAPlace)** - 该参数表示``Executor``执行所在的设备。
- **config(dict)** -  量化配置表。
- **scope(fluid.Scope)** - 传入用于存储``Variable``的``scope``，需要传入``program``所使用的``scope``，一般情况下，是[*fluid.global_scope()*](https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/develop/api_cn/executor_cn/global_scope_cn.html)。设置为``None``时将使用[*fluid.global_scope()*](https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/develop/api_cn/executor_cn/global_scope_cn.html)，默认值为``None``。
- **save_int8（bool)** -  是否需要返回参数为``int8``的``program``。该功能目前只能用于确认模型大小。默认值为``False``。

**返回**

- **program (fluid.Program)** - freezed program，可用于保存inference model，参数为``float32``类型，但其数值范围可用int8表示。
- **int8_program (fluid.Program)** - freezed program，可用于保存inference model，参数为``int8``类型。当``save_int8``为``False``时，不返回该值。

!!! note "注意事项"

因为该接口会对``op``和``Variable``做相应的删除和修改，所以此接口只能在训练完成之后调用。如果想转化训练的中间模型，可加载相应的参数之后再使用此接口。

**代码示例**

```python hl_lines="27 28"
#encoding=utf8
import paddle.fluid as fluid
import paddleslim.quant as quant


train_program = fluid.Program()

with fluid.program_guard(train_program):
    image = fluid.data(name='x', shape=[None, 1, 28, 28])
    label = fluid.data(name='label', shape=[None, 1], dtype='int64')
    conv = fluid.layers.conv2d(image, 32, 1)
    feat = fluid.layers.fc(conv, 10, act='softmax')
    cost = fluid.layers.cross_entropy(input=feat, label=label)
    avg_cost = fluid.layers.mean(x=cost)

use_gpu = True
place = fluid.CUDAPlace(0) if use_gpu else fluid.CPUPlace()
exe = fluid.Executor(place)
exe.run(fluid.default_startup_program())
eval_program = train_program.clone(for_test=True)
#配置
config = {'weight_quantize_type': 'abs_max',
        'activation_quantize_type': 'moving_average_abs_max'}
build_strategy = fluid.BuildStrategy()
exec_strategy = fluid.ExecutionStrategy()
#调用api
quant_train_program = quant.quant_aware(train_program, place, config, for_test=False)
quant_eval_program = quant.quant_aware(eval_program, place, config, for_test=True)
#关闭策略
build_strategy.fuse_all_reduce_ops = False
build_strategy.sync_batch_norm = False
quant_train_program = quant_train_program.with_data_parallel(
    loss_name=avg_cost.name,
    build_strategy=build_strategy,
    exec_strategy=exec_strategy)

inference_prog = quant.convert(quant_eval_program, place, config)
```

更详细的用法请参考 <a href='https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSlim/tree/develop/demo/quant/quant_aware'>量化训练demo</a>。

## quant_post
paddleslim.quant.quant_post(executor, model_dir, quantize_model_path,sample_generator, model_filename=None, params_filename=None, batch_size=16,batch_nums=None, scope=None, algo='KL', quantizable_op_type=["conv2d", "depthwise_conv2d", "mul"], is_full_quantize=False, is_use_cache_file=False, cache_dir="./temp_post_training")[[源代码]](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSlim/blob/develop/paddleslim/quant/quanter.py)

: 对保存在``${model_dir}``下的模型进行量化，使用``sample_generator``的数据进行参数校正。

**参数:**

- **executor (fluid.Executor)** - 执行模型的executor，可以在cpu或者gpu上执行。
- **model_dir（str)** - 需要量化的模型所在的文件夹。
- **quantize_model_path(str)** - 保存量化后的模型的路径
- **sample_generator(python generator)** - 读取数据样本，每次返回一个样本。
- **model_filename(str, optional)** - 模型文件名，如果需要量化的模型的参数存在一个文件中，则需要设置``model_filename``为模型文件的名称，否则设置为``None``即可。默认值是``None``。
- **params_filename(str)** - 参数文件名，如果需要量化的模型的参数存在一个文件中，则需要设置``params_filename``为参数文件的名称，否则设置为``None``即可。默认值是``None``。
- **batch_size(int)** - 每个batch的图片数量。默认值为16 。
- **batch_nums(int, optional)** - 迭代次数。如果设置为``None``，则会一直运行到``sample_generator`` 迭代结束， 否则，迭代次数为``batch_nums``, 也就是说参与对``Scale``进行校正的样本个数为 ``'batch_nums' * 'batch_size' ``.
- **scope(fluid.Scope, optional)** - 用来获取和写入``Variable``, 如果设置为``None``,则使用[*fluid.global_scope()*](https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/develop/api_cn/executor_cn/global_scope_cn.html). 默认值是``None``.
- **algo(str)** - 量化时使用的算法名称，可为``'KL'``或者``'direct'``。该参数仅针对激活值的量化，因为参数值的量化使用的方式为``'channel_wise_abs_max'``. 当``algo`` 设置为``'direct'``时，使用校正数据的激活值的绝对值的最大值当作``Scale``值，当设置为``'KL'``时，则使用``KL``散度的方法来计算``Scale``值。默认值为``'KL'``。
- **quantizable_op_type(list[str])** -  需要量化的``op``类型列表。默认值为``["conv2d", "depthwise_conv2d", "mul"]``。
- **is_full_quantize(bool)** - 是否量化所有可支持的op类型。如果设置为False, 则按照 ``'quantizable_op_type'`` 的设置进行量化。
- **is_use_cache_file(bool)** - 是否使用硬盘对中间结果进行存储。如果为False, 则将中间结果存储在内存中。
- **cache_dir(str)** - 如果 ``'is_use_cache_file'``为True, 则将中间结果存储在此参数设置的路径下。

**返回**

无。

!!! note "注意事项"

- 因为该接口会收集校正数据的所有的激活值，当校正图片比较多时，请设置``'is_use_cache_file'``为True, 将中间结果存储在硬盘中。另外，``'KL'``散度的计算比较耗时。
- 目前``Paddle-Lite``有int8 kernel来加速的op只有 ``['conv2d', 'depthwise_conv2d', 'mul']``, 其他op的int8 kernel将陆续支持。

**代码示例**

> 注： 此示例不能直接运行，因为需要加载``${model_dir}``下的模型，所以不能直接运行。

```python hl_lines="9"
import paddle.fluid as fluid
import paddle.dataset.mnist as reader
from paddleslim.quant import quant_post
val_reader = reader.train()
use_gpu = True
place = fluid.CUDAPlace(0) if use_gpu else fluid.CPUPlace()

exe = fluid.Executor(place)
quant_post(
        executor=exe,
        model_dir='./model_path',
        quantize_model_path='./save_path',
        sample_generator=val_reader,
        model_filename='__model__',
        params_filename='__params__',
        batch_size=16,
        batch_nums=10)
```
更详细的用法请参考 <a href='https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSlim/tree/develop/demo/quant/quant_post'>离线量化demo</a>。

## quant_embedding
paddleslim.quant.quant_embedding(program, place, config, scope=None)[[源代码]](https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSlim/blob/develop/paddleslim/quant/quant_embedding.py)
: 对``Embedding``参数进行量化。

**参数:**

- **program(fluid.Program)** - 需要量化的program
- **scope(fluid.Scope, optional)** - 用来获取和写入``Variable``, 如果设置为``None``,则使用[*fluid.global_scope()*](https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/develop/api_cn/executor_cn/global_scope_cn.html).
- **place(fluid.CPUPlace | fluid.CUDAPlace)** - 运行program的设备
- **config(dict)** - 定义量化的配置。可以配置的参数有：
    - ``'params_name'`` (str, required): 需要进行量化的参数名称，此参数必须设置。
    - ``'quantize_type'`` (str, optional): 量化的类型，目前支持的类型是``'abs_max'``, 待支持的类型有 ``'log', 'product_quantization'``。 默认值是``'abs_max'``.
    - ``'quantize_bits'``（int, optional): 量化的``bit``数，目前支持的``bit``数为8。默认值是8.
    - ``'dtype'``(str, optional): 量化之后的数据类型， 目前支持的是``'int8'``. 默认值是``int8``。
    - ``'threshold'``(float, optional): 量化之前将根据此阈值对需要量化的参数值进行``clip``. 如果不设置，则跳过``clip``过程直接量化。

**返回**

量化之后的program

**返回类型**

``fluid.Program``

**代码示例**
```python hl_lines="22"
import paddle.fluid as fluid
import paddleslim.quant as quant

train_program = fluid.Program()
with fluid.program_guard(train_program):
    input_word = fluid.data(name="input_word", shape=[None, 1], dtype='int64')
    input_emb = fluid.embedding(
        input=input_word,
        is_sparse=False,
        size=[100, 128],
        param_attr=fluid.ParamAttr(name='emb',
        initializer=fluid.initializer.Uniform(-0.005, 0.005)))

infer_program = train_program.clone(for_test=True)

use_gpu = True
place = fluid.CUDAPlace(0) if use_gpu else fluid.CPUPlace()
exe = fluid.Executor(place)
exe.run(fluid.default_startup_program())

config = {'params_name': 'emb', 'quantize_type': 'abs_max'}
quant_program = quant.quant_embedding(infer_program, place, config)
```

更详细的用法请参考 <a href='https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSlim/tree/develop/demo/quant/quant_embedding'>Embedding量化demo</a>。