Merge pull request #5910 from tensor-tang/doc

polish mkldnn doc

doc/design/mkldnn/README.MD

 # Intel® MKL-DNN on PaddlePaddle: Design Doc
 
-我们计划将Intel深度神经网络数学库(**MKL-DNN**\[[1](#references)\])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。
+我们计划将英特尔深度神经网络数学库[Intel MKL-DNN](https://github.com/01org/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。
 
-我们短期内的基本目标是：
+<div align="center">
+<img src="image/overview.png"><br/>
+Figure 1. PaddlePaddle on IA
+</div>
+
+近期目标
 
-- 完成常用layer的MKL-DNN实现。
+- 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](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/projects/21)。
 
 ## Contents
 
 - [Overview](#overview)
 - [Actions](#actions)
  	- [CMake](#cmake)
+ 	- [Matrix](#matrix)
 	- [Layers](#layers)
 	- [Activations](#activations)
-	- [Weights](#weights)
+	- [Parameters](#parameters)
+	- [Gradients](#gradients)
 	- [Unit Tests](#unit-tests)
-	- [Protobuf Messages](#protobuf-messages)
 	- [Python API](#python-api)
-	- [Demos](#demos)
 	- [Benchmarking](#benchmarking)
 	- [Others](#others)
 - [Design Concerns](#design-concerns)
 
 ## Overview
 
-我们会把MKL-DNN作为第三方库集成进PaddlePaddle，整体框架图
+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\[[1](#references)\])
+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。
+
 <div align="center">
-<img src="image/overview.png" width=350><br/>
-Figure 1. PaddlePaddle on IA.
+<img src="image/engine.png"><br/>
+Figure 2. PaddlePaddle with MKL Engines
 </div>
 
 ## Actions
-我们把集成方案大致分为了如下几个方面。
+
+添加的相关文件和目录结构如下：
+
+```txt
+PaddlePaddle/Paddle
+├── ...
+├── cmake/
+│   ├── external/
+│   │   ├── ...
+│   │   ├── mkldnn.cmake
+│   │   └── mklml.cmake
+└── paddle/
+    ├── ...
+    ├── math/
+    │   ├── ...
+    │   └── MKLDNNMatrix.*
+    └── gserver/
+        ├── ...
+        ├── layers/
+        │   ├── ...
+        │   └── MKLDNN*Layer.*
+        ├── activations/
+        │   ├── ...
+        │   └── MKLDNNActivations.*
+        └── tests/
+            ├── ...
+            ├── MKLDNNTester.*
+            └── test_MKLDNN.cpp
+```
 
 ### CMake
-我们会在`CMakeLists.txt`中会给用户添加一个`WITH_MKL`的开关，他是负责`WITH_MKLML`和`WITH_MKLDNN`的总开关。
+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
 
-当打开`WITH_MKL`时，会开启MKLML的功能，作为PaddlePaddle的CBLAS和LAPACK库，同时会开启Intel OpenMP用于提高MKLML的性能。 如果系统支持AVX2指令集及以上，同时会开启MKL-DNN功能。
+- `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](#references)]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`。
 
-当关闭`WITH_MKL`时，MKLML和MKL-DNN功能会同时关闭。
+### 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。
 
-所以，我们会在`cmake/external`目录新建`mkldnn.cmake`和`mklml.cmake`文件，它们会在编译PaddlePaddle的时候下载对应的软件包，并放到PaddlePaddle的third party目录中。
+<div align="center">
+<img src="image/matrix.png"><br/>
+Figure 3. MKLDNNMatrix
+</div>
 
 ### Layers
-所有MKL-DNN相关的C++ layers，都会按照PaddlePaddle的目录结构存放在
-`paddle/gserver/layers`中，并且文件名都会一以*MKLDNN*开头。
+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。
+
+<div align="center">
+<img src="image/layers.png"><br/>
+Figure 4. MKLDNNLayer
+</div>
+
+每个MKLDNNLayer都包含用于内部存储和外部存储的一系列MKLDNNMatrix：
 
-所有MKL-DNN的layers都会继承于一个叫做`MKLDNNLayer`的父类，该父类继承于PaddlePaddle的基类`Layer`。
+- 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。
 
-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。部分函数定义为纯虚函数，子类只需要实现这些函数即可。
+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
-由于在PaddlePaddle中，激活函数是独立于layer概念的，所以会在`paddle/gserver/activations`目录下添加`MKLDNNActivation.h`和`MKLDNNActivation.cpp`文件用于定义和使用MKL-DNN的接口。
+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。
 
-### Weights
-由于有些layer是含有参数的，我们会尽量让MKL-DNN的参数与PaddlePaddle中`parameter`共享一块内存。
-同时，由于MKL-DNN在训练时使用的参数layout可能与PaddlePaddle默认的`nchw`不一致，我们会在网络训练的开始和结束时分别转换这个layout，使得最终保存的参数格式与PaddlePaddle一致。
+<div align="center">
+<img src="image/gradients.png"><br/>
+Figure 5. Merge Gradients
+</div>
 
 ### Unit Tests
-会在`paddle/gserver/test`目录下添加`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。
+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。
 
-### Protobuf Messages
-根据具体layer的需求可能会在`proto/ModelConfig.proto`里面添加必要的选项。
-
 ### Python API
 目前只考虑**v1 API**。
 
@@ -80,41 +172,40 @@ if use_mkldnn
     self.layer_type = mkldnn_*
 ```
 
-所有MKL-DNN的layer type会以*mkldnn_*开头，以示区分。 
-
-并且可能在`python/paddle/trainer_config_helper`目录下的`activations.py `和`layers.py`里面添加必要的MKL-DNN的接口。
+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。 
 
-### Demos
-
-会在`v1_api_demo`目录下添加一个`mkldnn`的文件夹，里面放入一些用于MKL-DNN测试的demo脚本。
+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`benchmark/paddle/image/run_mkldnn.sh`，用于测试使用MKL-DNN之后的性能。
+会添加相应的脚本在[这里](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/tree/develop/benchmark/paddle/image)，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](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/benchmark/IntelOptimizedPaddle.md)
 
 ### Others
-1. 如果在使用MKL-DNN的情况下，会把CPU的Buffer对齐为64。
+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](https://github.com/01org/mkl-dnn/blob/master/include/mkldnn.hpp#L673)。
 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\[[2](#references)\]，同时又尽可能少的牺牲MKL-DNN的性能\[[3](#references)\]。
+为了更好的符合PaddlePaddle的代码风格\[[3](#references)\]，同时又尽可能少的牺牲MKL-DNN的性能\[[4](#references)\]。
 
 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`MKLDNNMatrix`，同时继承`CpuMatrix`和`mkldnn::memory`。用于管理MKL-DNN会用到的相关memory函数、接口以及会用的到格式信息。
-4. 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。
-5. 每个`MKLDNNlayer`都会有`inVal_`,`inGrad_`,`outVal_`和`outGrad_`，分别代表input value， input gradient，output value和output gradient。他们会存放MKL-DNN用到的internal memory。同时还会定义以*ext*开头的`MKLDNNMatrix`(表示external的memory)，主要是在格式与PaddlePaddle默认的`nchw`格式不匹配时，用于转换内存的工作。必要的转换函数也会在`MKLDNNLayer`中提前定义好，每个子类只需要调用定义好的reset buffer函数即可。
-6. 每个`MKLDNNlayer`的resetbuffer相关的函数（包括reset input、output的Value和grad），他们会根据输入参数reset internal和external的memory，当然这两者也可以相等，即表示不需要转换。只需要把握一个原则，每个`MKLDNNlayer`的子类，只需要使用internal的memory就可以了，所有external的转换工作在父类的reset函数中都提前准备好了。
-7. 一般来说，external的memory会尽量与PaddlePaddle中的`value`和`grad`共享内存。同时每个`MKLDNNLayer`中的external output value和gradient(也就是`extOutVal_`和`extOutGrad_`)必须分别与`output_.value`和`output_.grad`共享内存，因为PaddlePaddle的activation会直接使用`output_.value`和`output_.grad`。如果不需要external的buffer用于转换，那么internal的buffer也会与他们共享内存。
-8. 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cpu device的时候，external的memory的格式始终是`nchw`或者`nc`。
-9. 由于MKL-DNN的输出操作都是覆盖data的，不是在原来的数据上累加，所以当网络出现分支时，在`backward`时会需要merge不同layer的梯度。`MKLDNNlayer`中会实现merge的方法，此时每个小分支的input gradient会先临时保存在一个`MKLDNNMatrix`中，由分支处的layer负责求和，并把结果放到这个layer的`output_.grad`中。所以整体上，每个子类并不会需要关心分支的事情，也是在父类都实现好了。
-10. 在原来的`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。
+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. [Intel Math Kernel Library for Deep Neural Networks (Intel MKL-DNN)](https://github.com/01org/mkl-dnn "Intel MKL-DNN")
-2. [原来的方案](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/pull/3096)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。
-3. 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。
+1. [MKL small library](https://github.com/01org/mkl-dnn#linking-your-application)是[Intel MKL](https://software.intel.com/en-us/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](https://github.com/01org/mkl-dnn/releases)时一起更新。
+2. [MKL-DNN System Requirements](https://github.com/01org/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](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/pull/3096)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。