清华自研深度学习框架「计图」开源！多项任务性能超过PyTorch

乾明 发自 凹非寺 
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

AI框架，又来重磅中国玩家。

刚刚，清华自研的深度学习框架，正式对外开源。“贵系”计算机系的图形实验室出品，取名Jittor，中文名计图。

值得一提的是，这也是首个来自中国高校科研机构的开源深度学习框架，之前，业内来自“高校”的还有加拿大蒙特利尔大学的Theano，UC伯克利的Caffe。

与主流的深度学习框架TensorFlow、Pytorch不同，Jittor是一个完全基于动态编译（Just-in-time）、使用元算子和统一计算图的深度学习框架。

研发团队介绍称，开发Jittor是为了将新技术、硬件和模型的能力，更好地释放出来。

“深度学习发展迅猛，TensorFlow、PyTorch这些老牌主流框架，也会在新模型，新算法，新硬件上表现不佳，所以需要新的框架，在易于扩展同时保持高效。”

而现在框架呈现出来的能力，的确有超越“前辈”的倾向：

基于Jittor开发的深度学习模型，可以实时自动优化并运行在指定的硬件上，如CPU，GPU，在多种机器视觉任务上能够比同类产品PyTorch性能提高10%~50%。

团队还介绍，如此成果，得益于Jittor的两大创新点：元算子和统一计算图。这也是Jittor的立身之本。

Jittor的核心：元算子与统一计算图

根据Jittor官方文档定义，元算子是指神经网络所需的基本算子。

在TensorFlow，PyTorch框架底层，有上千个算子，如此多的算子使得开发和优化难度大幅提升。

在设计Jittor的时候，他们就定下了一个目标，即用户只需要数行代码，就可定义新的算子和模型。同时在保证易用的同时，不丧失任何可定制性。

所以在Jittor中，多个元算子之间，可以相互融合成更加复杂的算子，这些复杂算子构成了神经网络计算的多个模块，如卷积层，归一化层等等。

他们将这种融合称为元算子融合，可以提升性能，节省资源。在文档中，他们分享了一个案例：只用4个元算子，就实现了卷积操作。

他们介绍称，元算子的可拓展性很强，通过对元算子的简单修改，就可以实现更多复杂的卷积操作，如扩张卷积、深度卷积、点卷积、分离式卷积、反卷积等。

而且，通过元算子反向传播闭包，能自动生成反向卷积层。具体如下图所示，反向卷积层将来自输出的梯度，通过4个元算子，将梯度反向传播给卷积层的权重：

Jittor开发团队介绍称，在这样的设计下，元算子和Numpy一样易于使用，并且超越Numpy能够实现更复杂更高效的操作。

而且，通过元算子的反向传播闭包，Jittor可以对所有前向反向算子进行统一管理，这就是他们所说的第二个创新点：统一计算图。

简单来说，统一计算图是完成了多种统一的动态计算图。根据官方文档介绍，在Jittor中，核心有四个方面的统一：

• 统一管理前向反向计算图，使得高阶导数可以被支持。

• 统一管理CPU，GPU内存，使得训练模型时，可以突破原有的GPU显存限制，让CPU，GPU可以共享内存。

• 统一同步、异步运行接口，使得数据读取，内存拷贝，模型计算可以同时进行，提升性能

• 统一管理多次迭代的计算图，使得平台可以实现跨迭代的融合优化。

基于这个方面，他们给出了Jittor与其他各个框架的特性对比：

自动微分、动态图方面，Tensorflow、Pytorch和Jittor都支持。但在同步接口和异步接口方面，Jittor的优异性得到了体现。

同步接口易于编程，异步接口有助于提高性能，Jittor同时支持这两种接口。

相比之下，Tensorflow部分算子支持统一内存管理，而PyTorch不支持异步接口，而Jittor的所有算子都支持统一内存管理，当深度学习模型将GPU内存资源耗尽时，将使用CPU内存来弥补。

除此之外，Jittor还支持跨迭代融合。

在这些特性的支持下，Jittor具备了动态编译的能力。

官方文档介绍称，通过内置元算子编译器，可以将用户用元算子编写的Python代码，动态编译成高性能的C++代码。

比如，下图中的Python代码编写了神经网络中常用的批归一化层（batch norm）， 通过元算子编译器，动态生成了批归一化层C++代码。

开发团队介绍称，Jittor还会使用内置的编译优化，以及LLVM兼容的优化编译遍（complier pass）来优化动态生成的代码。

这些编译会根据硬件设备，自动优化动态编译的代码，常见的优化编译有：循环重排，循环分裂，循环融合，数据打包，向量化，GPU并行。

他们说，这些编译遍，能够对C++代码进一步优化，生成对计算设备友好的底层算子，从而提高性能。

这体现了他们设计Jittor的另一个理念：

所有代码都是即时编译并且运行的，包括Jittor本身。用户可以随时对Jittor的所有代码进行修改，并且动态运行。

此外，在整体设计中，他们还遵循了实现与优化分离的理念。

如此打造出来的整体架构，“用户可以通过前端接口专注于实现，而实现自动被后端优化。从而提升前端代码的可读性，以及后端优化的鲁棒性和可重用性。”他们介绍称。

Jittor的整体架构与上手样例

具体来说，Jittor的整体架构一共分为四层，如下图所示：

它是基于Jit编译技术、完全重新设计的深度学习框架，从上到下分别是应用层，前端层，后端层，硬件层，官方文档的介绍如下：

应用层的代码，用户使用Python编写，并可以访问从前端层公开的所有接口。

前端层 是Jittor的组件之一，代码用Python编写，提供了元算子的调用接口，来操作Jittor变量和Jittor实现的通用模型。

后端层是Jittor的内核，由C++编写，管理底层硬件资源。该层包含很多模块，比如算子融合器、第三方算子、JIT编译器、统一计算图、统一内存调度、统一执行器等。

硬件层支持的硬件有CPU和Nvidia GPU。但如果需要让Jittor支持新的硬件，只需要重载编译接口即可，让Jittor移植到新的硬件的难度将大大降低。Jittor开发团队说，他们将在未来支持更多的计算设备。

如此架构，用起来怎样？官方文档介绍称，从头只需要若干行代码，就能训练一个两层神经网络。

上面的代码，定义了激活函数和全连接层。Jittor开发团队介绍称，其实这些层已经集成在了框架中，并使用了类似的实现方式，在这里重新定义，用于更好展示内部机制和实现。

从代码中可以看出，Jittor的接口和现在主流深度学习框架接口类似，都是使用模块化的方式定义模型。其中，random、matmul、exp都是Jittor的内置算子。

基于JIT编译，Jittor的后端会将这几个算子自动融合成一个算子。

上面的代码，定义了双层神经网络。隐层的神经元个数是10， 使用的激活函数是上面定义好的sigmoid。

最后，可以从头开始训练模型。在这段代码，使用了梯度下降和L2 loss来训练网络。训练过程是异步的。

Jittor开发团队介绍称，Jittor会自动计算梯度并且将计算图保存起来，后端的JIT编译器会根据计算图，同时使用算子级别优化和图级别的优化。

他们进一步解释称，在这一示例中，Jittor使用了以下几种优化：

算子融合：激活函数和loss函数会被融合在一起。

并行化：算子会自动并行化以提升性能和计算密集度，在现代多核CPU和GPU上十分有效。

并发：没有依赖关系的操作会被并发执行，比如内存拷贝和计算可以并发并相互重叠。

元算子与统一计算图加持，整体框架优化下，Jittor在一些任务上展现出了性能提升，在多种机器视觉任务上尤为明显。

多个视觉任务上，性能超过现有主流框架

Jittor开发团队提供了实验数据。在ImageNet数据集上，使用Resnet50模型，GPU图像分类任务性能比PyTorch相比，提升32%；CPU图像分类任务提升11%。

在CelebA数据集上，使用LSGAN模型，使用GPU处理图像生成任务，Jittor比PyTorch性能提升达51%。

此外，为了方便更多人上手Jittor，开发团队采用了和PyTorch较为相似的模块化接口，并提供辅助转换脚本，可以将PyTorch的模型自动转换成Jittor的模型。

他们介绍称，在参数保存和数据传输上，Jittor使用和PyTorch一样的 Numpy+pickle 协议，所以Jittor和PyTorch的模型可以相互加载和调用。

当然， Jittor作为一个新兴深度学习框架，在一些功能上，仍旧需要持续迭代完善。比如生态的建设，以及更大范围的推广，仍旧需要很多的努力。

Jittor开发团队介绍称，就目前来看，Jittor框架的模型支持还待完善，分布式功能待完善。这也是他们下一阶段研发的重点。

首个中国高校深度学习开源框架，清华教授领衔打造

最后，是时候介绍Jittor的开发团队出场，他们来自清华大学计算机系图形学实验室，牵头者是清华大学计算机系胡事民教授。

该实验室的主要研究方向是计算机图形学、计算机视觉、智能信息处理、智能机器人、系统软件等，在ACM TOG, IEEE TVCG, IEEE PAMI, ACM SIGGRAPH, IEEE CVPR, IEEE ICRA, USENIX ATC等重要国际刊物上发表论文100余篇。

开发Jittor的主力，是该实验室梁盾、杨国烨、杨国炜、周文洋等一批博士生。

据梁盾透露，他们接下来的计划，是先围绕学界，重点发力。希望能成为国内以及世界上学术界最受欢迎，使用最多的框架，并对AI产业界产生积极的影响。

但想要走通这条路，并没有那么容易。TensorFlow和PyTorch已经成为了当前主流的深度学习框架，正在被全世界的研究者们采用。尤其是PyTorch，正在大面积抢占学术界。

其实从模型特性，以及设计理念来看，PyTorch可能是Jittor更直接的对标对象。

Jittor将如何发力？

在他们的规划中，接下来将组建开源社区，除了完善框架外，还会联合多所高校使用Jittor教授课程，以现有人员作为核心，壮大开发团队和用户，首要目标是服务更多研究人员。

据说，已经有多位高校教授，决定要在自己课堂上使用。

同时，另一个公开信息也值得关注：胡事民教授从2010年开始，就担任清华大学—腾讯联合实验室主任。在Jittor研发过程中，还得到了这一实验室支持。

所以这一框架是否会与腾讯展开合作？

目前研究团队没有给出直接明确的答复，但表示：非常希望能和更多的产业界的伙伴们联手推动Jittor的发展。

总之，打造AI框架本身已不易，开源之后更要接受各方直接检验。

现在，清华迈出了关键一步，虚的不多说，各位收好下方传送门，走过路过不要错过，都参与检验一下吧~

开源传送门

https://cg.cs.tsinghua.edu.cn/jittor/