CANN 中的图优化技术详解：如何让 AI 模型跑得更快、更省

在 AI 推理部署中，模型精度固然重要，但性能与能效 往往决定产品能否落地。即使拥有强大的硬件加速器，若软件栈无法有效调度计算资源，硬件潜力也难以释放。CANN（Compute Architecture for Neural Networks）作为一套面向 AI 加速硬件的全栈式软件架构，其核心竞争力之一正是先进的图优化引擎------它能在不改变模型语义的前提下，大幅压缩执行时间、降低内存占用、提升吞吐能力。

本文将深入剖析 CANN 图优化的关键技术，包括算子融合、内存复用、布局转换与动态 shape 优化，并结合实际案例说明这些优化如何在真实模型中生效。

一、什么是图优化？

深度学习模型本质上是一个有向无环图（DAG），节点代表算子（如卷积、激活函数），边代表张量数据流。原始框架（如 PyTorch）导出的计算图通常包含大量细粒度操作，直接执行会导致：

频繁的 kernel 启动开销；
中间结果频繁写入/读取显存；
内存带宽成为瓶颈。

图优化的目标就是对这张计算图进行等价变换，使其更适合目标硬件高效执行。

CANN 的图优化发生在 ATC（模型转换工具）阶段 ，输出为高度优化的 .om 离线模型。

二、四大核心图优化技术

1. 算子融合（Operator Fusion）

原理：将多个连续的小算子合并为一个复合算子，减少 kernel launch 次数和中间内存分配。

典型融合模式：

原始序列	融合后
Conv → BatchNorm → ReLU	`ConvBnRelu`
MatMul → Add → Gelu	`MatMulAddGelu`
Transpose → Reshape	直接消除或合并

效果：

减少 30%~70% 的 kernel 调用次数；
消除中间张量，节省显存；
提升计算密度（Compute Intensity）。

示例：ResNet-50 中有 53 个 Conv-BN-ReLU 结构。若不融合，需启动 159 个 kernel；融合后仅需 53 个，推理速度提升可达 2 倍以上。

✅ CANN 默认启用融合，可通过 --disable_fusion=true 关闭用于调试。

2. 内存复用（Memory Reuse / In-Place Optimization）

原理：分析张量生命周期，对不重叠使用的张量复用同一块物理内存。

关键技术：

Liveness Analysis：确定每个张量的"活跃区间"；
Memory Pooling：预分配大块内存池，按需切分；
In-Place 操作：如 ReLU、Dropout 可直接覆盖输入。

效果：

显存峰值降低 30%~50%；
减少内存分配/释放开销；
支持更大 batch size 或更高分辨率输入。

案例：YOLOv5s 原始显存需求约 1.8GB，经 CANN 内存优化后可降至 1.1GB，使模型能在资源受限的边缘设备上运行。

3. 数据布局转换（Layout Transformation）

问题：不同硬件对数据排布（Layout）有偏好。例如：

CPU/GPU 常用 NCHW（Batch, Channel, Height, Width）；
某些 AI 加速器更擅长 NHWC 或自定义块格式（如 FRACTAL_NZ）。

CANN 的策略：

在图中自动插入 TransData 节点，将输入转为目标 Layout；
尽量将 Layout 转换"吸收到"相邻算子中，避免独立 Transpose 开销；
对卷积等关键算子，提供多 Layout 实现，自动选择最优路径。

示例：

text 复制代码

原始：Input(NCHW) → Conv(NCHW) → ReLU → Output
优化后：Input → TransData(NCHW→FRACTAL) → Conv(FRACTAL) → ReLU → TransData(FRACTAL→NCHW)

虽然增加了两次转换，但 Conv 在 FRACTAL 格式下性能提升 3 倍，整体仍显著受益。

🔧 可通过 --input_format=NCHW --output_format=NHWC 显式控制输入/输出布局。

4. 动态 Shape 优化（Dynamic Shape Handling）

传统优化依赖静态 shape（如固定 batch=1, H=224）。但实际场景中，输入尺寸可能变化（如视频帧、OCR 文本行）。

CANN 支持两种动态 Shape 模式：

模式	说明	性能
Offline Compilation with Range	编译时指定 shape 范围（如 H∈[100,500]）	中等，支持有限动态性
Online Compilation	每次新 shape 首次出现时 JIT 编译	灵活但首次延迟高

优化技巧：

尽量使用 静态 shape 获取最佳性能；
若必须动态，限制 shape 种类（如只允许 3 种分辨率）；
启用 --dynamic_batch_size=1,2,4,8 预编译常见 batch。

三、如何查看 CANN 的优化效果？

CANN 提供多种方式验证图优化是否生效：

方法 1：查看 ATC 日志

bash 复制代码

atc --model=model.onnx ... --log_level=debug

日志中会输出：

复制代码

[FUSION] Fused Conv+BN+ReLU into ConvBnRelu (count: 53)
[MEMORY] Peak memory reduced from 1842MB to 1120MB
[LAYOUT] Inserted 2 TransData nodes for optimal execution

方法 2：使用 Netron 查看 .om 模型结构

.om 模型可被 Netron 加载（需 CANN 插件），直观对比优化前后节点数量。

方法 3：性能分析工具 msprof

bash 复制代码

msprof --output=./profile python infer.py

在生成的 timeline 中：

融合后的算子显示为单一 kernel；
内存分配事件显著减少；
计算占比（Compute %）明显提升。

四、自定义融合规则：高级用法

CANN 允许用户通过配置文件定义自定义融合规则，适用于业务特有模式。

创建 fusion.cfg：

ini 复制代码

[OP fusion]
enable_conv_bn_relu_fusion = true
enable_custom_fusion = true

[Custom Fusion]
pattern = Add, Gelu
target_op = AddGelu
impl_file = /path/to/add_gelu_tbe.py

然后在 ATC 命令中引用：

bash 复制代码

atc --model=xxx.onnx --fusion_switch_file=fusion.cfg ...

💡 此功能常用于 NLP 模型中的 LayerNorm + Dropout + Linear 等组合。

五、实战建议：最大化图优化收益

模型设计阶段：
- 避免不必要的 Transpose/Reshape；
- 使用标准模块（如 torch.nn.Conv2d + BatchNorm2d + ReLU）；
- 尽量使用静态输入尺寸。
转换阶段：
- 始终启用默认融合（--enable_fusion=true）；
- 根据硬件选择正确的 --soc_version；
- 使用 --precision_mode=allow_mix_precision 启用自动混合精度（AMP）。
部署阶段：
- 监控显存使用，必要时手动调整 batch；
- 对动态输入，缓存常见 shape 的编译结果。

六、结语

图优化是 CANN 性能优势的"隐形引擎"。它默默工作在模型转换阶段，却决定了推理时的效率上限。理解其背后的融合、内存、布局等机制，不仅能帮助我们写出更"友好"的模型结构，还能在性能瓶颈出现时快速定位问题。

未来，随着大模型、多模态和实时 AI 的普及，图优化技术将向更智能、更自适应的方向发展------例如基于强化学习的融合策略搜索、跨模型共享内存池等。而 CANN 作为这一领域的先行者，将持续为开发者提供强大而透明的优化能力。

掌握图优化，就是掌握 AI 高性能部署的核心密码。

延伸阅读：

CANN ATC 工具用户指南
《AI 编译器中的图优化技术综述》
使用 TBE 实现自定义融合算子

本文聚焦 CANN 软件栈中的通用图优化机制，不涉及特定硬件品牌，适用于所有兼容该架构的 AI 加速平台。

cann组织链接：https://atomgit.com/cann

ops-nn仓库链接：https://atomgit.com/cann/ops-nn"