Transformers 提供了許多最新最先進(jìn) (state-of-the-art, SoTA) 的模型，這些模型橫跨多個(gè)領(lǐng)域及任務(wù)。為了使這些模型能以最佳性能運(yùn)行，我們需要優(yōu)化其推理速度及內(nèi)存使用。

【資料圖】

Hugging Face 生態(tài)系統(tǒng)為滿足上述需求提供了現(xiàn)成且易于使用的優(yōu)化工具，這些工具可應(yīng)用于庫(kù)中的所有模型。用戶只需添加幾行代碼就可以輕松?減少內(nèi)存占用并?提高推理速度。

在本實(shí)戰(zhàn)教程中，我將演示如何用三個(gè)簡(jiǎn)單的優(yōu)化技巧來優(yōu)化 Bark 模型。Bark 是 Transformers 支持的一個(gè)文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音 (Text-To-Speech, TTS) 模型。所有優(yōu)化僅依賴于 Transformers、Optimum 以及 Accelerate 這三個(gè) 生態(tài)系統(tǒng)庫(kù)。

本教程還演示了如何對(duì)模型及其不同的優(yōu)化方案進(jìn)行性能基準(zhǔn)測(cè)試。

本文對(duì)應(yīng)的 Google Colab 在:/github/ylacombe/notebooks/blob/main/Benchmark_Bark_

本文結(jié)構(gòu)如下:

目錄

Bark 模型簡(jiǎn)介

不同優(yōu)化技巧及其優(yōu)點(diǎn)概述

基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果展示

Bark 模型架構(gòu)

Bark是 Suno AI 提出的基于 transformer 的 TTS 模型，其原始代碼庫(kù)為 suno-ai/bark。該模型能夠生成各種音頻輸出，包括語(yǔ)音、音樂、背景噪音以及簡(jiǎn)單的音效。此外，它還可以產(chǎn)生非語(yǔ)言語(yǔ)音，如笑聲、嘆息聲和抽泣聲等。

自 起，Bark 已集成入 Transformers！

你可以通過 這個(gè) notebook 試試 Bark 并探索其功能。

Bark 主要由 4 個(gè)模型組成:

BarkSemanticModel(也稱為?文本模型): 一個(gè)因果自回歸 transformer 模型，其輸入為分詞后的詞元序列，并輸出能捕獲文義的語(yǔ)義詞元。

BarkCoarseModel(也稱為?粗聲學(xué)模型): 一個(gè)因果自回歸 transformer 模型，其接收?BarkSemanticModel模型的輸出，并據(jù)此預(yù)測(cè) EnCodec 所需的前兩個(gè)音頻碼本。

BarkFineModel(也稱為?細(xì)聲學(xué)模型)，這次是個(gè)非因果自編碼器 transformer 模型，它對(duì)?先前碼本的嵌入和?進(jìn)行迭代，從而生成最后一個(gè)碼本。

在?EncodecModel的編碼器部分預(yù)測(cè)出所有碼本通道后，Bark 繼續(xù)用其解碼器來解碼并輸出音頻序列。

截至本文撰寫時(shí)，共有兩個(gè) Bark checkpoint 可用，其中一個(gè)是 小版，一個(gè)是 大版。

加載模型及其處理器

預(yù)訓(xùn)練的 Bark 小 checkpoint 和 大 checkpoint 均可從 Hugging Face Hub 上加載。你可根據(jù)實(shí)際需要加載相應(yīng)的 repo-id。

為了使實(shí)驗(yàn)運(yùn)行起來快點(diǎn)，我們默認(rèn)使用小 checkpoint，即?“suno/bark-small”。但你可以隨意改成?“suno/bark”來嘗試大 checkpoint。

將模型放到加速器上以優(yōu)化其速度:

加載處理器，它主要處理分詞以及說話人嵌入 (若有)。

優(yōu)化技巧

本節(jié)，我們將探索如何使用 Optimum 和 Accelerate 庫(kù)中的現(xiàn)成功能來以最少的代碼改動(dòng)達(dá)到優(yōu)化 Bark 模型的目的。

設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境

首先，我們準(zhǔn)備一個(gè)輸入文本并定義一個(gè)函數(shù)來測(cè)量 Bark 生成過程的延遲及其 GPU 顯存占用情況。

測(cè)量延遲和 GPU 內(nèi)存占用需要使用特定的 CUDA 函數(shù)。我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)工具函數(shù)，用于測(cè)量模型的推理延遲及 GPU 內(nèi)存占用。為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次測(cè)量我們會(huì)運(yùn)行?nb_loops次求均值:

基線

在優(yōu)化之前，我們先測(cè)量下模型的基線性能并聽一下生成的音頻，我們測(cè)量五次并求均值:

輸出:

現(xiàn)在，我們可以播放一下輸出音頻:

重要說明

上例中運(yùn)行次數(shù)較少。為了測(cè)量和后續(xù)對(duì)比的準(zhǔn)確性，運(yùn)行次數(shù)需要增加到至少 100。

增加?nb_loops一個(gè)主要原因是，同一輸入的多次運(yùn)行所生成的語(yǔ)音長(zhǎng)度差異也很大。因此當(dāng)運(yùn)行次數(shù)較少時(shí)，有可能通過?measure_latency_and_memory_use測(cè)出的延遲并不能反映出優(yōu)化方法的實(shí)際性能！文末的基準(zhǔn)測(cè)試取的是 100 次運(yùn)行的均值，用以逼近模型的真實(shí)性能。

1. Better Transformer

Better Transformer 是 ? Optimum 的一個(gè)功能，它可以幫助在后臺(tái)執(zhí)行算子融合。這意味著模型的某些操作在 GPU 上的性能將會(huì)得到進(jìn)一步優(yōu)化，從而加速模型的最終運(yùn)行速度。

再具體一點(diǎn)， Transformers 支持的大多數(shù)模型都依賴于注意力，這使得模型在生成輸出時(shí)可以選擇性地關(guān)注輸入的某些部分，因而能夠有效地處理遠(yuǎn)程依賴關(guān)系并捕獲數(shù)據(jù)中復(fù)雜的上下文關(guān)系。

Dao 等人于 2022 年提出了一項(xiàng)名為 Flash Attention 的技術(shù)，極大地優(yōu)化了樸素注意力的性能。

Flash Attention 是一種更快、更高效的注意力算法，它巧妙地結(jié)合了一些傳統(tǒng)方法 (如平鋪和重計(jì)算)，以最大限度地減少內(nèi)存使用并提高速度。與之前的算法不同，F(xiàn)lash Attention 將內(nèi)存使用量從與序列長(zhǎng)度呈平方關(guān)系降低到線性關(guān)系，這對(duì)關(guān)注內(nèi)存效率的應(yīng)用尤其重要。

Better Transformer 可以開箱即用地支持 Flash Attention！只需一行代碼即可將模型導(dǎo)出到 Better Transformer 并啟用 Flash Attention:

輸出:

利弊

效果不會(huì)下降，這意味著你可以獲得與基線版本完全相同的結(jié)果，同時(shí)提速 20% 到 30%！想要了解更多有關(guān) Better Transformer 的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱此 博文。

2. 半精度

大多數(shù)人工智能模型通常使用稱為單精度浮點(diǎn)的存儲(chǔ)格式，即?fp32，這在實(shí)踐中意味著每個(gè)數(shù)都用 32 比特來存儲(chǔ)。

你也可以選擇使用 16 比特對(duì)每個(gè)數(shù)進(jìn)行編碼，即所謂的半精度浮點(diǎn)，即?fp16(譯者注: 或?bf16)，這時(shí)每個(gè)數(shù)占用的存儲(chǔ)空間就變成了原來的一半！除此以外，你還可以獲得計(jì)算上的加速！

但天下沒有免費(fèi)的午餐，半精度會(huì)帶來較小的效果下降，因?yàn)槟Ｐ蛢?nèi)部的操作不如?fp32精確了。

你可以通過簡(jiǎn)單地在?_pretrained(...)的入?yún)⒅刑砑?torch_dtype=來將 Transformers 模型加載為半精度！

代碼如下:

輸出:

利弊

雖然效果略有下降，但內(nèi)存占用量減少了 50%，速度提高了 5%。

3. CPU 卸載

正如本文第一部分所述，Bark 包含 4 個(gè)子模型，這些子模型在音頻生成過程中按序調(diào)用。換句話說，當(dāng)一個(gè)子模型正在使用時(shí)，其他子模型處于空閑狀態(tài)。

為什么要討論這個(gè)問題呢？因?yàn)?GPU 顯存在 AI 工作負(fù)載中非常寶貴，顯存中的運(yùn)算速度是最快的，而很多情況下顯存不足是推理速度的瓶頸。

一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是將空閑子模型從 GPU 顯存中卸載至 CPU 內(nèi)存，該操作稱為 CPU 卸載。

好消息: Bark 的 CPU 卸載已集成至 Transformers 中，只需一行代碼即可使能。唯一條件是，僅需確保安裝了 Accelerate 即可！

輸出:

利弊

速度略有下降 (10%)，換得內(nèi)存占用的巨大降低 (60% )。

啟用此功能后，?bark-large占用空間從原先的 5GB 降至 2GB，與?bark-small的內(nèi)存占用相同！

如果你還想要降更多的話，可以試試啟用?fp16，內(nèi)存占用甚至可以降至 1GB。具體可以參見下一節(jié)的數(shù)據(jù)。

4. 組合優(yōu)化

我們把上述所有優(yōu)化組合到一起，這意味著你可以合并 CPU 卸載、半精度以及 Better Transformer 帶來的收益！

輸出:

利弊

最終，你將獲得 23% 的加速并節(jié)約 80% 的內(nèi)存！

批處理

得隴望蜀？

加個(gè)批處理吧，上述 3 種優(yōu)化技巧加上批處理可以進(jìn)一步提升速度。批處理即將多個(gè)樣本組合起來一起推理，這樣會(huì)使這些樣本的總生成時(shí)間低于逐樣本生成時(shí)的總生成時(shí)間。

下面給出了一個(gè)批處理的簡(jiǎn)單代碼:

基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

上文我們進(jìn)行的這些小實(shí)驗(yàn)更多是想法驗(yàn)證，我們需要將其擴(kuò)展以更準(zhǔn)確地衡量性能。另外，在每次正式測(cè)量性能之前，還需要先跑幾輪以預(yù)熱 GPU。

以下是擴(kuò)展至 100 個(gè)樣本的基準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)果，使用的模型為?大 Bark。

該基準(zhǔn)測(cè)試在 NVIDIA TITAN RTX 24GB 上運(yùn)行，最大詞元數(shù)為 256。

如何解讀結(jié)果？

延遲

該指標(biāo)主要測(cè)量每次調(diào)用生成函數(shù)的平均時(shí)間，無(wú)論 batch size 如何。

換句話說，它等于?。

延遲越小越好。

最大內(nèi)存占用

它主要測(cè)量生成函數(shù)在每次調(diào)用期間使用的最大內(nèi)存。

內(nèi)存占用越小越好。

吞吐量

它測(cè)量每秒生成的樣本數(shù)。這次，batch size 的因素已被考慮在內(nèi)。

換句話說，它等于?。

吞吐量越高越好。

單樣本推理

下表為?batch_size=1的結(jié)果。

不出所料，CPU 卸載極大地減少了內(nèi)存占用，同時(shí)略微增加了延遲。

然而，結(jié)合 bettertransformer 和?fp16，我們得到了兩全其美的效果，巨大的延遲和內(nèi)存降低！

batch size 為 8

以下是?batch_size=8時(shí)的吞吐量基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。

請(qǐng)注意，由于?bettertransformer是一種免費(fèi)優(yōu)化，它執(zhí)行與非優(yōu)化模型完全相同的操作并具有相同的內(nèi)存占用，同時(shí)速度更快，因此所有的基準(zhǔn)測(cè)試均?默認(rèn)開啟此優(yōu)化。

這里，我們看到了組合所有三個(gè)優(yōu)化技巧后的性能潛力！

fp16對(duì)延遲的影響在?batch_size = 1時(shí)不太明顯，但在?batch_size = 1時(shí)的表現(xiàn)非常有趣，它可以將延遲減少近一半，吞吐量幾乎翻倍！

結(jié)束語(yǔ)

本文展示了 生態(tài)系統(tǒng)中的一些現(xiàn)成的、簡(jiǎn)單的優(yōu)化技巧。使用這些技巧中的任何一種或全部三種都可以極大地改善 Bark 的推理速度和內(nèi)存占用。

使用 Better Transformer 和 CPU 卸載，你可以對(duì)大 Bark 模型進(jìn)行推理，而不會(huì)出現(xiàn)任何性能下降，占用空間僅為 2GB (而不是 5GB)，同時(shí)速度提高 15%。

如果你鐘情于高吞吐，可以?把 batch size 打到 8，并利用 Better Transformer 和 fp16。

如果你“既要，又要，還要”，試試?fp16、 Better Transformer 加 CPU 卸載組合優(yōu)化吧！

英文原文:?/blog/optimizing-bark

原文作者: Yoach Lacombe

譯者: Matrix Yao (姚偉峰)，英特爾深度學(xué)習(xí)工程師，工作方向?yàn)?transformer-family 模型在各模態(tài)數(shù)據(jù)上的應(yīng)用及大規(guī)模模型的訓(xùn)練推理。

審校/排版: zhongdongy (阿東)

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