旷视Brain++天元框架开源，奠基AI生态共建

    【CPS中安网 cps.com.cn】深度学习是贯穿当今人工智能应用的核心框架之一。如何利用深度学习框架、高效进行人工智能开发，已经成了全球AI开发者们热议的话题。

　　3月25日下午，旷视科技于线上正式发布“Brain++·天元”深度学习框架。

　　“Brain++”是由旷视自主研发的端到端人工智能算法平台，总体架构上分为三部分，包括深度学习框架MegEngine、深度学习云计算平台MegCompute、以及数据管理平台MegData，具备大规模算法研发能力。

　　而天元（MegEngine）则是旷视Brain++最核心的组件，可帮助开发者用户借助编程接口，进行大规模深度学习模型训练和部署，具备训练推理一体化，动静合一，兼容并包和灵活高效四个特点。

　　MegEngine: 深度学习框架的新纪元

　　发布会上，旷视研究院高级技术总监田忠博对于天元MegEngine做出了更详尽的介绍。

　　天元架构从上到下共分为5个层次。最上层为计算接口层，天元对外暴露的接口为Python和C++接口，支持Python和C++语言对框架进行编程和使用，进行原型系统的设计研发和训练推理。

　　第二层为图表示层，包含动态图和静态图表示功能。在图表示层下，第三层为核心计算层，包括自动求导、图优化、图编译等主要功能。同时，一体化核心计算引擎层次负责支撑动态图、静态图表示功能，以及上层接口功能。

　　系统第四层为管理层，分为运行管理和内存管理两部分，负责计算调度和内存管理。其中非常值得一提的是内存管理模块中实现的“静态内存亚线性优化”功能，可以使内存管理效率得到大幅提升。

　　最底层为系统核心计算层，包含核心算子库，可以支持X86、CUDA、ARM、ASIC等一系列常见计算设备；以及一个高性能异构通信库，可以支持计算框架的分布式、多节点使用，从而支持更大规模的应用。

　　天元MegEngine的优势

　　天元框架的诞生，有针对性地解决了人工智能产品开发中一系列痛点：

　　▎训练推理一体化

　　传统深度学习产品的研发过程中，训练框架和推理框架往往是分别设计和实现的，当进行算法设计时，算法首先需要获得训练框架的支持，变为可训练的模型，再转为为推理框架可支持的格式，在不同的设备上进行计算。

　　这些复杂的流程可能会导致一系列问题：如算子不被支持、无法自动优化、冗余算子引入导致系统性能下降等。

　　而天元框架无需进行模型转化，可直接使用训练后的模型进行推理，保证训练和推理时的速度和精度一致，以及在跨设备模型训练时精度对齐。并且通过简化流程，天元可以自动对流程优化，提高效率。

　　▎动静合一

　　在人工智能原型开发中，静态图更好部署，更容易变为产品。而在研究过程中，动态图更方便调试，更加灵活。

　　天元框架尝试取两者优点，设计为可在动态和静态两种模式中切换，达到在两种模式下都可正确进行计算的状态，从而提升研究到部署过程中的效率。

　　▎兼容并包

　　目前人工智能开源框架众多，每种框架的接口各异，导致了模型复现困难，学习成本高的问题。

　　天元框架设计时，在函数命名风格和参数设计细节上都遵循Python社区的传统，并简化整体API风格，降低框架的使用和学习成本。

　　同时天元框架还尝试性添加了模型导入功能，使模型可以更简单地被复现和对比，方便原型开发和实验。

　　▎灵活高效

　　对AI产品研发生产公司来说，为了提供极致的AI服务，需要其产品在不同设备上都达到极致的性能。

　　天元框架借助其高性能的算子库和高效的内存优化策略，可以充分利用不同设备的算力，从而达到灵活高效的效果，使得同样的设备在应用天元框架时可以训练更大的模型，支持更多的算法种类。

　　Brain++天元助力科研与生产

　　根据旷视首席科学家、旷视研究院院长孙剑的介绍，旷视Brian++天元框架的特点可以简单总结为三点：“训得好”，“训得快”，“训得动”。

　　▎框架与算法协同——训得好

　　孙剑博士介绍道，天元的第一个特点是框架与算法协同。今天，人工智能的算法运行在各种各样不同的平台之上，而云、端、边设备的特性差异很大，无法设计一种网络满足所有需求。

　　旷视在进行深度学习研发的过程中，发现了一种三角形关系：三角形的三个顶点分别意味着取得良好训练效果的三要素——训练框架、计算设备、网络结构。

　　为了达到最好的效果，三者需要联合设计，基于对不同计算设备特性的研究，天元框架可以快速开发算子，并灵活高效地进行算子优化，适配不同特性的计算设备，这是取得最优运行效果的关键。

　　受益于天元框架和对端侧设备的深刻理解，旷视“协同设计”理念的成果“ShuffleNet”，近几年在端上取得了优异的效果，帮助国内手机厂商加速其智能化过程，并成为了各大主流框架中的标准实现。

　　▎高效训练系统——训得快

　　随后，孙剑博士又介绍道，在计算机视觉领域非常有名的MS COCO大赛中，旷视在2017-2019年连续三年夺冠。这得益于旷视天元框架的高效训练系统。

　　原因是多样的，但其中非常关键的是天元框架第一次引入SyncBN技术，能够支持超大Mini Batch训练，从而大幅度提高了训练模型的速度，训练时长由30个小时缩减至2小时，让研究人员可以在同样的时间去测试更多的想法，不断推进对计算机视觉和AI的认知。

　　▎大规模能力——训得动

　　最后，孙剑博士解释了天元的大规模能力与旷视数据库容量规模有关。在2019年，旷视联合北京智源人工智能研究院联合发布了Object365数据集，现在Object 365 V2 已经包含超过200万张图像，超过2800万个人工标签，是COCO的16倍大。

　　更大的数据可以确定更好的模型，带来更高的精度、更快的收敛。同时，旷视天元具有高加速比、亚线性显存节省技术等特性，因此可以轻松完成更大容量的训练。

　　目前，Brian++天元框架除了帮助旷视在科研学术方面取得优异成绩，也已在产业界落地应用，赋能企业。

　　开源框架百家争鸣，共建AI生态

　　人工智能在近几年快速的发展和应用引起了广泛的关注，关于底层人工智能框架的发展，CPS中安网曾在《中国安防人工智能发展产业指南》详细给出目前市面上包括谷歌TensorFlow，加州伯克利分校Caffe，百度PaddlePaddle，Facebook的PyTorch，微软CNTK，谷歌Keras，亚马逊MxNet等主流框架的整理信息。

　　Brain++天元框架的诸多底层创新确保了其技术的国际领先地位。同时对于“目前国内计算机视觉公司相关产品和应用的研发主要基于谷歌、微软、亚马逊、Faceebook 等国际巨头的框架”的现状，旷视天元框架的开源无疑是极为重要的，同时也将为人工智能上层应用创新带来更多的可能性。

　　据悉，旷视此次发布会上开源的是天元框架Alpha版本，计划在6月和9月分别提出Beta版本和正式版本，并会在OpenAI和GitHub同步发布。同时伴随着天元框架发布的还有旷视的在线深度学习工具MegStudio以及汇聚顶尖模型的ModelHub。

　　旷视科技CTO唐文斌表示，“天元”一词指代的是围棋棋盘的中心点，也意味着万物的基础。旷视希望天元框架能够成为中国人工智能的基石，同时也希望在Beta版本和正式版本之间，有更多的人来贡献code，给出建议，提出批评，一起共建更好的AI生态，创造更多的价值。

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