TPU-MLIR

本项目是算能深度学处理器的TPU编译器工程。该工程提供了一套完整的工具链，其可以将不同框架下预训练的神经网络，转化为可以在算能TPU上高效运算的二进制文件bmodel。

算能致力于成为全球领先的通用算力提供商。算能专注于深度学习、RISC-V 处理器等算力产品的研发和推广应用，以自研产品为核心打造了覆盖“云、边、端”的全场景应用矩阵，为城市大脑、智算中心、智慧安防、智慧交通、安全生产、工业质检、智能终端等应用提供算力产品及整体解决方案。公司在北京、上海、深圳、青岛、厦门等国内 10 多个城市及美国、新加坡等国家设有研发中心。

目前该工程直接支持的深度学习框架包括PyTorch、ONNX、TFLite和Caffe，其他框架模型需要转成ONNX。

预编译的 TPU-MLIR Python 包

我们提供 TPU-MLIR Python 包以便跳过编译工程的步骤快速安装。环境要求：python >= 3.10 和 ubuntu:22.04（推荐直接使用我们的docker镜像）。

安装：

pip install tpu_mlir

资源

以下资源可以帮助你更好地了解TPU-MLIR：

序列	文档
01	TPU-MLIR 论文
02	TPU-MLIR 开发参考手册
03	TPU-MLIR 快速入门指南

序列	分享会
01	TPU-MLIR 论文讲解
02	LayerGroup 讲解

序列	主题	视频链接
01	什么是深度学习编译器？	深度学习编译器简介
02	MLIR 简介	基本语法(一), 基本语法(二), 基本语法(三), Dialect Conversion, Pattern Rewriting
03	TPU-MLIR 介绍	概述, 前端转换, Lowering
04	量化	概述, 公式推导, 校准, QAT
05	TPU 内存	Ep1, Ep2
06	TPU-MLIR 实践	转Onnx格式, 图优化, 算子支持, 模型支持, 融合预处理, 精度验证

如果你在完成上述任务时有任何疑问，可以在我们的问答平台中提问或查看现有答案。

编译工程

克隆本工程代码后，需要在docker中编译。

从dockerhub下载所需的镜像。

docker pull sophgo/tpuc_dev:latest

如果docker拉取失败，可通过以下方式进行下载：

wget https://sophon-assets.sophon.cn/sophon-prod-s3/drive/25/01/20/10/sophgo-tpuc_dev_v3.3.tar.gz
docker load -i sophgo-tpuc_dev_v3.3.tar.gz

创建所需镜像：

# myname1234 just a example, you can set your own name
docker run --privileged --name myname1234 -v $PWD:/workspace -it sophgo/tpuc_dev:latest

容器建立后，代码在docker中的目录为/workspace/tpu-mlir。

编译代码

在工程目录下运行以下命令：

cd tpu-mlir
source ./envsetup.sh
./build.sh

使用方法

以yolov5s.onnx为例，介绍如何编译迁移一个onnx模型至BM1684X TPU平台运行。

该模型来在yolov5的官网: https://github.com/ultralytics/yolov5/releases/download/v6.0/yolov5s.onnx。

在本工程已经放在regression/model/yolov5s.onnx。

准备模型和数据

建立model_yolov5s目录，注意是与本工程同级目录；并把模型文件和图片文件都放入model_yolov5s目录中。

操作如下：

mkdir model_yolov5s && cd model_yolov5s
cp ${REGRESSION_PATH}/model/yolov5s.onnx .
cp -rf ${REGRESSION_PATH}/dataset/COCO2017 .
cp -rf ${REGRESSION_PATH}/image .
mkdir workspace && cd workspace

将模型转化MLIR

如果模型是图片输入，在转模型之前我们需要了解模型的预处理。如果模型用预处理后的npz文件做输入，则不需要考虑预处理。预处理过程用公式表达如下（x代表输入)： $ y = （x - mean） \times scale $

官网yolov5的图片是rgb，每个值会乘以1/255，转换成mean和scale对应为0.0,0.0,0.0和0.0039216,0.0039216,0.0039216。

模型转换命令如下：

model_transform.py \
    --model_name yolov5s \
    --model_def ../yolov5s.onnx \
    --input_shapes [[1,3,640,640]] \
    --mean 0.0,0.0,0.0 \
    --scale 0.0039216,0.0039216,0.0039216 \
    --keep_aspect_ratio \
    --pixel_format rgb \
    --output_names 350,498,646 \
    --test_input ../image/dog.jpg \
    --test_result yolov5s_top_outputs.npz \
    --mlir yolov5s.mlir

model_transform.py支持的主要参数如下（完整参数信息请查看开发参考手册）:

参数名	必选？	说明
model_name	是	指定模型名称
model_def	是	指定模型定义文件，比如`.onnx`或`.pt`或`.tflite`或`.prototxt`文件
model_data	否	指定模型权重文件，caffe模型需要，对应`.caffemodel`文件
input_shapes	否	指定输入的shape，例如`[[1,3,640,640]]`；二维数组，可以支持多输入情况
resize_dims	否	原始图片需要resize之后的尺寸；如果不指定，则resize成模型的输入尺寸
keep_aspect_ratio	否	在Resize时是否保持长宽比，默认为false；设置时会对不足部分补0
mean	否	图像每个通道的均值，默认为0.0,0.0,0.0
scale	否	图片每个通道的比值，默认为1.0,1.0,1.0
pixel_format	否	图片类型，可以是rgb、bgr、gray、rgbd四种情况
output_names	否	指定输出的名称，如果不指定，则用模型的输出；指定后用该指定名称做输出
test_input	否	指定输入文件用于验证，可以是图片或npy或npz；可以不指定，则不会正确性验证
test_result	否	指定验证后的输出文件
excepts	否	指定需要排除验证的网络层的名称，多个用,隔开
debug	否	指定后保留中间临时文件；否则会清理掉中间临时文件
mlir	是	指定输出的mlir文件路径

转成mlir文件后，会生成一个${model_name}_in_f32.npz文件，该文件是模型的输入文件。它是通过对图片输入进行预处理后得到的数据。

MLIR转F16模型

将mlir文件转换成f16的bmodel，操作方法如下：

model_deploy.py \
  --mlir yolov5s.mlir \
  --quantize F16 \
  --processor bm1684x \
  --test_input yolov5s_in_f32.npz \
  --test_reference yolov5s_top_outputs.npz \
  --model yolov5s_1684x_f16.bmodel

model_deploy.py的主要参数说明如下（完整参数信息请查看开发参考手册）：

参数名	必选？	说明
mlir	是	指定mlir文件
quantize	是	指定默认量化类型，支持F32/BF16/F16/INT8
processor	是	指定模型将要用到的平台
calibration_table	否	指定量化表路径，当存在INT8量化的时候需要量化表
tolerance	否	表示 MLIR 量化后的结果与 MLIR fp32推理结果相似度的误差容忍度
correctnetss	否	表示仿真器运行的结果与MLIR量化后的结果相似度的误差容忍度，默认0.99,0.99
excepts	否	指定需要排除验证的网络层的名称，多个用,隔开
debug	否	指定后保留中间临时文件；否则会清理掉中间临时文件
model	是	指定输出的model文件路径
dynamic	否	动态编译，支持动态shape

MLIR转INT8模型

转INT8模型前需要跑calibration，得到量化表；输入数据的数量根据情况准备100~1000张左右。

然后用量化表，生成对称或非对称bmodel。如果对称符合需求，一般不建议用非对称，因为非对称的性能会略差与对称模型。

这里用现有的100张来自COCO2017的图片举例，执行calibration：

run_calibration.py yolov5s.mlir \
  --dataset ../COCO2017 \
  --input_num 100 \
  -o yolov5s_cali_table

转成INT8对称量化模型，执行如下命令：

model_deploy.py \
  --mlir yolov5s.mlir \
  --quantize INT8 \
  --calibration_table yolov5s_cali_table \
  --processor bm1684x \
  --test_input yolov5s_in_f32.npz \
  --test_reference yolov5s_top_outputs.npz \
  --tolerance 0.85,0.45 \
  --model yolov5s_1684x_int8.bmodel

效果对比

本工程有用python写好的yolov5用例，源码路径python/samples/detect_yolov5.py，用于对图片进行目标检测。阅读该代码可以了解模型是如何使用的：先预处理得到模型的输入，然后推理得到输出，最后做后处理。以下用该代码分别来验证onnx/f32/int8的执行结果。

onnx模型的执行方式如下，得到dog_onnx.jpg：

detect_yolov5.py \
  --input ../image/dog.jpg \
  --model ../yolov5s.onnx \
  --output dog_onnx.jpg

f16 bmodel的执行方式如下，得到dog_f16.jpg：

detect_yolov5.py \
  --input ../image/dog.jpg \
  --model yolov5s_1684x_f16.bmodel \
  --output dog_f16.jpg

int8 对称bmodel的执行方式如下，得到dog_int8_sym.jpg：

detect_yolov5.py \
  --input ../image/dog.jpg \
  --model yolov5s_1684x_int8.bmodel \
  --output dog_int8.jpg

三张图片对比如下：

辅助工具

模型推理工具`model_runner.py`

支持 bmodel/mlir/onnx/tflite

model_runner.py \
  --input resnet18_in_f32.npz \
  --model resnet18_1684x_f32.bmodel \
  --output resnet18_output.npz

`bmodel`模型工具

可以通过model_tool工具来查看和编辑bmodel文件, 用法参考以下列表:

  model_tool
    --info model_file : show brief model info
    --print model_file : show detailed model info
    --extract model_file : extract one multi-net bmodel to multi one-net bmodels
    --combine file1 .. fileN -o new_file: combine bmodels to one bmodel by filepath
    --combine_dir dir1 .. dirN -o new_dir: combine bmodels to one bmodel by directory path
    --dump model_file start_offset byte_size out_file: dump binary data to file from bmodel

例如, 获取bmodel的基本信息：

model_tool --info resnet18_1684x_f32.bmodel