如何用昇腾TBE为Caffe和TensorFlow开发算子？

在人工智能技术飞速发展的今天,算力是驱动模型创新与应用落地的核心引擎，华为昇腾作为全栈全场景AI解决方案，以其强大的达芬奇架构处理器和完整的软件栈，为AI计算提供了新的选择，要充分发挥昇腾硬件的澎湃算力，关键在于如何将上层深度学习框架的计算需求，高效地映射到底层硬件指令上，这其中，TBE（Tensor Boost Engine）算子开发扮演了至关重要的角色，它如同连接算法与硬件的桥梁，让开发者能够为Caffe、TensorFlow等主流框架定制高性能的计算单元。

昇腾AI计算的核心：TBE与算子

在深度学习模型中,“算子”（Operator）是执行特定计算任务的最小逻辑单元，例如卷积（Conv）、矩阵乘法（MatMul）、激活函数（ReLU）等，一个复杂的神经网络模型，正是由成百上千个这样的算子按特定逻辑组合而成的计算图。

昇腾AI处理器内置了大量经过深度优化的高性能算子,覆盖了绝大多数通用场景，随着AI研究的不断深入，新的网络结构和算法层出不穷，标准算子库可能无法完全满足特定场景的性能或功能需求，某些前沿研究中的新颖操作，或特定行业应用中的专有算法，可能并不存在于标准库中，就需要开发者进行“自定义算子”开发。

TBE（Tensor Boost Engine）正是华为推出的一个基于昇腾AI处理器的自定义算子开发编程框架，它的核心价值在于，它允许开发者使用相对高级的编程语言（Python）和领域特定语言（DSL）来描述算子的计算逻辑，而无需直接编写复杂的底层硬件代码，TBE编译器会自动将这种高级描述，编译成适配达芬奇架构的高效机器码，从而在昇腾处理器上以极致性能运行，这极大地降低了AI硬件编程的门槛，让算法专家可以更专注于算法逻辑本身，而非底层硬件实现细节。

连接主流框架：Caffe与TensorFlow的集成

为了让开发者能够无缝地在熟悉的Caffe或TensorFlow框架中使用自定义算子,昇腾计算架构提供了完善的集成机制，这使得基于昇腾的开发体验与传统的GPU开发体验高度一致，开发者无需完全改变已有的编程习惯。

对于TensorFlow框架，昇腾提供了适配插件，当一个TensorFlow模型在昇腾平台上运行时，该插件会解析计算图，如果图中节点是昇腾支持的标准算子，插件会直接调用CANN（Compute Architecture for Neural Networks）算子库中对应的实现，如果节点是开发者使用TBE开发的自定义算子，插件则会将其注册到TensorFlow的算子体系中，在模型执行时，TensorFlow会像调用原生算子一样，透明地调用这个运行在昇腾硬件上的自定义算子，整个过程对用户而言是透明的，只需进行简单的环境配置和插件加载即可。

对于Caffe框架，集成方式同样清晰，Caffe的网络结构由层（Layer）构成，每一层对应一个或多个算子，开发者需要创建一个继承自Caffe基类的新层，在该层的Forward和Backward函数中，调用通过TBE编译生成的算子函数，这样，当Caffe解析Prototxt网络定义文件时，遇到这个自定义层，就会执行在昇腾AI处理器上加速的计算，这种方式虽然相比TensorFlow需要多写一些“胶水”代码，但原理相通，同样实现了将TBE算子无缝嵌入到经典深度学习框架中的目标。

TBE算子开发流程概览

使用TBE进行算子开发是一个系统化的过程,遵循清晰的步骤可以确保开发效率和算子质量，其核心流程可以概括为以下几个阶段：

整个流程体现了从高层抽象到底层硬件的逐步映射,是昇腾“学院”式开发理念的核心体现，即提供工具和方法论，赋能开发者高效地进行软硬件协同创新。

相关问答 (FAQs)

学习TBE算子开发需要具备哪些基础知识？

解答： 要高效地进行TBE算子开发，建议具备以下几方面的基础知识：

1. Python编程能力：TBE的前端语言是Python，需要熟练掌握其语法、数据结构和函数式编程思想。
2. 深度学习基础：理解神经网络的基本原理，熟悉常见算子（如卷积、池化、全连接等）的数学含义和功能。
3. Linux操作基础：昇腾开发环境通常部署在Linux服务器上，需要掌握基本的命令行操作、编译和调试工具。
4. C++基础（可选但推荐）：虽然TBE本身用Python开发，但在将算子集成到TensorFlow或Caffe等框架时，可能需要阅读或编写少量C++代码，了解其基本语法有助于理解集成机制。
5. 并行计算与硬件架构概念：了解SIMD（单指令多数据流）、内存层级等基本概念，有助于更好地理解TBE的调度机制，编写出更高性能的算子。

昇腾处理器内置的算子已经很多，为什么还需要用TBE自定义算子？

解答： 尽管昇腾提供了丰富的内置算子库，但在以下几种场景中，使用TBE进行自定义算子开发仍然是必要且极具价值的：

1. 创新算法研究：学术界和工业界不断涌现新的网络结构和算法，这些前沿算法可能包含新颖的计算操作，尚未被标准化和内置到算子库中，研究者可以通过TBE快速实现这些新算子，并利用昇腾硬件进行加速验证。
2. 特定领域优化：在某些特定行业（如医疗影像、自动驾驶、金融风控）中，可能存在一些专用的、经过优化的算法模块，将这些专用算法通过TBE固化为硬件算子，可以获得远超通用算子实现的性能和能效。
3. 性能极致追求：有时，为了榨干硬件性能，可以将网络中连续的几个小算子（如Conv+BN+ReLU）融合成一个大的自定义算子，这种“算子融合”可以减少中间结果的内存读写次数，显著降低延迟并提升吞吐量，这是标准算子库难以针对性实现的。