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forked from zjhellofss/KuiperInfer

校招、秋招、春招、实习好项目！带你从零实现一个高性能的深度学习推理库，支持大模型 llama2 、Unet、Yolov5、Resnet等模型的推理。Implement a high-performance deep learning inference library step by step

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KJUNCLE/KuiperInfer

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KuiperInfer (自制深度学习推理框架)

我们在本项目的基础上开设了一个全新的课程，《从零自制大模型推理框架》，以下是目录，感兴趣的同学可以扫描二维码或者添加微信 lyrry1997 了解，欢迎大家参加。

《动手自制大模型推理框架》常见问题

  1. 课程更新完了吗？

主体已经更新完毕，完全可以开始自习。支持cuda, int8推理。

  1. 这是收费课程吗？怎么收费，怎么付款，过段时间买可以吗？

收费课程，256，微信转账。可以，但是我微信好友快满了，隔一段时间会清理，而且不定期会涨价。

  1. 为什么b站会贵一点，内容都一样吗？

b站要抽成，内容都一样

  1. 怎么看课

飞书网盘，打开浏览器就可以看

  1. 有答疑吗

有的，且有答疑群，群友也很热情。

  1. 不会cpp可以学吗？

事在人为，我也尽量深入浅出教学

  1. 课程目录有吗

见下文

  1. 作者是干嘛的？

主业就是开发大模型推理框架的，课件已经被人民邮电出版社约稿，同时也是kuiperinfer项目，也就是本项目的发起人，目前全github cpp项目排名120位。

《动手自制大模型推理框架》项目运行效果fp32模型1.1b参数。

KuipeInfer目前2.3k star，帮助很多人获得了大厂岗位。

《动手自制大模型推理框架》课程目录

一、项目整体架构和设计

学习架构思维，防止自己只会优化局部实现

  1. 环境的安装和课程简介
  2. 资源管理和内存管理类的设计与实现
  3. 张量类的设计与实现
  4. 算子类的设计与实现
  5. 算子的注册和管理

二、支持LLama2模型结构

本节将为大家补齐算法工程师思维，在算法层面讲解大模型和Transformer的原理之后，开始对LLama2进行支持

  1. LLama模型的分析
  2. MMap内存映射技术打开大模型的权重文件
  3. LLama模型文件的参数和权重载入
  4. LLama中各个层的初始化以及输入张量、权重张量的分配和申请
  5. 实现大模型中的KV Cache机制

三、模型的量化

为了减少显存的占用，我们开发了int8模型量化模块

  1. 量化模型权重的导出
  2. 量化系数和权重的加载
  3. 量化乘法算子的实现

四、Cuda基础和算子实现

带你学Cuda并在实战大模型算子的实现，为大模型推理赋能

  1. Cuda基础入门1 - 内容待定
  2. Cuda基础入门2 - 内容待定
  3. Cuda基础入门3 - 内容待定
  4. Cuda基础入门4 - 内容待定
  5. RMSNorm算子的Cuda实现
  6. Softmax算子的Cuda实现
  7. Add算子的Cuda实现
  8. Swiglu算子的Cuda实现
  9. GEMV算子的Cuda实现
  10. 多头注意力机制的Cuda实现
  11. 让框架增加Cuda设备的支持和管理
  12. 完成Cuda推理流程

五、用推理框架做点有趣的事情

  1. 文本生成
  2. 讲一段小故事
  3. 让大模型和你进行多轮对话

六、学习其他商用推理框架的实现，查漏补缺

  1. LLama.cpp的设计和实现讲解
  2. Miopen（AMD出品，对标CUDNN）的设计和实现讲解
  3. 总结

带领你亲手打造一个深度学习推理框架。关注我的B站空间，获取最新视频更新。

跟随本项目，从零开始自制深度学习推理框架，你将有以下收获：

  1. 学习一个深度学习框架背后的知识，掌握现代C++项目的写法，调试技巧和工程经验；
  2. 如何设计、编写一个计算图；
  3. 实现常见的算子，卷积算子、池化算子、全连接算子等；
  4. 在3的基础上，学会常见的优化手段加速算子的执行；
  5. 最后你将获得一个属于自己的推理框架，可以推理resnet, unet, yolov5, mobilenet等模型，对面试和知识进阶大有裨益。

视频课程链接：https://space.bilibili.com/1822828582

对llama的支持

我们将llama.c中的算子替换为了KuiperInfer中的实现

模型下载链接 下载后替换到demos/llama2/main.cpp中

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第二次课程大纲

第二次课程是第一次课程的重置版，内容更加充实和完善，第一次课程大纲见下方章节。

课程节数 进度 课程链接
第一讲 项目预览和环境配置 完成 https://www.bilibili.com/video/BV118411f7yM
第二讲 张量(Tensor)的设计与实现 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1hN411k7q7
第三讲 计算图的定义 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1vc411M7Yp
第四讲 构建计算图关系和执行顺序 完成 https://www.bilibili.com/video/BV19s4y1r7az
第五讲 KuiperInfer中的算⼦和注册⼯⼚ 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1gx4y1o7pj
第六讲 卷积和池化算子的实现 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1hx4y197dS
第七讲 表达式层中词法分析和语法分析以及算子的实现 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1j8411o7ao
第八讲 自制推理框架支持Resnet网络的推理 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1o84y1o7ni
第九讲 自制推理框架支持YoloV5网络的推理 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1Qk4y1A7XL

Demo效果

Unet语义分割

🥰 KuiperInfer当前已支持Unet网络的推理，采用carvana的预训练权重

推理复现可参考文末的 运行 Kuiper 的 demo

Yolov5目标检测

Demo直接使用yolov5-s的预训练权重(coco数据集)，使用KuiperInfer推理

第一次课程大纲

我在b站上开了一门教学课程，目前是课程的前13次课程。课程大纲如下，主页是: https://space.bilibili.com/1822828582 , 欢迎大家关注支持。进学习群的方式如上图的二维码。

课程节数 主要内容 进度 课程链接
第一次课 整体框架解读和开发环境配置 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1HV4y1A7H8/
第二次课 张量Tensor类的解析和输入数据的内存排布 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1Ed4y1v7Gb/
第三次课 从CSV文件中初始化张量Tensor一个实例 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1Pg411J7V5/
第四次课 手写第一个算子Relu并完成算子注册工厂类 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1bG4y1J7sQ/
第五次课 Im2col的原理和卷积算子的实现 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1F841137Ct
第六次课 照猫画虎，完成MaxPooling算子 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1m3411S7yy
第七次课 图结构(PNNX)讲解和计算图初步 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1VW4y1V7vp
第八次课 读取PNNX并构建自己的计算图 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1HY4y1Z7S3
第九次课 卷积算子的实现和im2col加速计算的原理 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1F841137Ct
第十次课 再探Tensor类，构建计算图的图关系以及对算子的输入输出预分配 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1M54y1K7AG
第十一次课 算子的执行流程 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1wY411C7Kv
第十二次课 用我们自制的推理框架完成ResNet网络的推理和图片的分类 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1jD4y1M772
第十三次课 用自制的推理框架支持Yolov5模型的推理 完成 https://www.bilibili.com/video/BV1xs4y1J7t2

项目贡献

贡献者列表

感谢以下同学对Kuiperinfer的付出

如何参与项目贡献？

  1. 提交代码增加新功能或修改bug；
  2. 提出特别有用的建议；
  3. 完善文档或增加单元测试。

本项目和视频课程的关系

  • 本项目相当于课程的上游或者预研项目

  • 这里的每一个功能都有可能成为视频课程中的知识点，无论是我开发的还是其他同学完善的。

使用的技术和开发环境

  • 开发语言：C++ 17
  • 数学库：Armadillo + OpenBlas(或者更快的Intel MKL)
  • 加速库：OpenMP
  • 单元测试：Google Test
  • 性能测试：Google Benchmark

安装过程(使用Docker)

  1. docker pull registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/hellofss/kuiperinfer:latest
  2. sudo docker run -t -i registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/hellofss/kuiperinfer:latest /bin/bash
  3. cd code
  4. git clone --recursive https://github.com/zjhellofss/KuiperInfer.git
  5. cd KuiperInfer
  6. git checkout -b 你的新分支 study_version_0.02 (如果想抄本项目的代码，请使用这一步切换到study tag)
  7. mkdir build
  8. cd build
  9. cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DDEVELOPMENT=OFF ..
  10. make -j$(nproc)

Tips:

  1. 如果需要对KuiperInfer进行开发，请使用 git clone --recursive https://github.com/zjhellofss/KuiperInfer.git 同时下载子文件夹tmp, 并在cmake文件中设置$DEVELOPMENT或者指定-DDEVELOPMENT=ON
  2. 如果国内网速卡顿，请使用 git clone https://gitee.com/fssssss/KuiperInferGitee.git
  3. 如果想获得更快地运行体验，请在本机重新编译openblas或apt install intel-mkl

安装过程(构建Docker镜像)

  1. docker build -t kuiperinfer:latest .
  2. docker run --name kuiperinfer -it kuiperinfer:latest /bin/bash
  3. cd /app
  4. 余下步骤参考上述安装过程的步骤4-10

安装过程(不使用docker)

  1. git clone --recursive https://github.com/zjhellofss/KuiperInfer.git
  2. git checkout -b 你的新分支 study_version_0.01 (如果想抄本项目的代码，请使用这一步切换到study tag)
  3. 安装必要环境(openblas推荐编译安装，可以获得更快的运行速度，或者使用apt install intel-mkl替代openblas)
 apt install cmake, libopenblas-dev, liblapack-dev, libarpack-dev, libsuperlu-dev
  1. 下载并编译armadillo https://arma.sourceforge.net/download.html
  2. 编译安装glog\google test\google benchmark
  3. 余下步骤和上述一致

Tips:

  1. google benchmark编译过程中，如果遇到关于gtest缺失的报错，可以在google benchmark的cmake中关闭gtest选项

运行 Kuiper 的 demo

运行Unet的推理

请在编译后复制 tmp/unet/demo 文件夹下的 test.png 图片绝对地址或相对地址， 随后在 build/demos 中按下列格式运行推理程序

./unet_test test.png unet_demo.pnnx.param unet_demo.pnnx.bin

其中 pnnx 模型的下载地址：https://cowtransfer.com/s/09c7f337bab443

若推理成功，你将会在文件夹内看到原图的分割后结果 unet_output.jpg .

运行Yolov5的推理

请在demos文件夹下的yolo_test.cpp文件夹中以下代码进行修改

const std::string& image_path = "imgs/car.jpg";
const std::string& param_path = "tmp/yolo/demo/yolov5s_batch8.pnnx.param";
const std::string& bin_path = "tmp/yolo/demo/yolov5s_batch8.pnnx.bin";

  • image_path指定图像目录，param_path为模型的参数文件，bin_path为模型的权重文件，请替换为自己本地的路径。

  • 模型定义和权重下载地址如下： https://cowtransfer.com/s/9bc43e0905cb40

  • 编译完成后，在项目目录调用 ./build/demos/yolo_test

已经支持的算子

总体理念：逐步优化已经有的算子；有需要的时候再对未实现的算子进行开发

  • Convolution
  • AdaptivePooling
  • MaxPooling
  • Expression(抽象语法树)
  • Flatten, View(维度展平和变形)
  • Sigmoid
  • HardSigmoid
  • HardSwish
  • ReLU
  • Linear(矩阵相乘)
  • Softmax
  • BatchNorm
  • Upsample
  • SiLU
  • Concat
  • ConvTranspose

目录

source是源码目录

  1. data/ 是张量类Tensor的实现和Tensor初始化方法
  2. layer/ 是算子的实现
  3. parser/ 是Pnnx表达式的解析类
  4. runtime/ 是计算图结构，解析和运行时相关

test是单元测试目录，基本做到public方法单元测试权覆盖

bench是google benchmark, 包含对MobilenetV3, Resnet18和yolov5s的性能测试。

性能测试

测试设备

15 核心的AMD EPYC 7543(霄龙) 32-Core Processor (Docker 容器，宿主机共有32核心)

编译环境

gcc (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0

性能结果

耗时通过连续五次运行,并以求平均的方式计算

input size 模型名称 计算设备 耗时
224×224 batch = 8 MobileNetV3Small CPU(armadillo + openblas) 6.76ms / image
224×224 batch = 8 ResNet18 CPU(armadillo + openblas) 23.53ms / image
224×224 batch =16 ResNet18 CPU(armadillo + openblas) 13.52ms / image
640×640 batch = 8 Yolov5nano CPU(armadillo + openblas) 78.37ms / image
640×640 batch = 8 Yolov5s CPU(armadillo + openblas) 177.54ms / image
640×640 batch = 16 Yolov5s CPU(armadillo + openblas) 134.57ms / image

致谢

推理框架NCNN，已经在借鉴的代码中保留了NCNN的BSD协议 https://github.com/Tencent/ncnn

优秀的数学库Openblas: https://github.com/xianyi/OpenBLAS

优秀的数学库Armadillo: https://arma.sourceforge.net/docs.html

给予我灵感的Caffe框架: https://github.com/BVLC/caffe

fmath框架：https://github.com/herumi/fmath/

About

校招、秋招、春招、实习好项目！带你从零实现一个高性能的深度学习推理库，支持大模型 llama2 、Unet、Yolov5、Resnet等模型的推理。Implement a high-performance deep learning inference library step by step

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