Temporal-Shift-Module在 FPGA上解決視頻理解問題的實用性和性能

在這個項目中，將在線和離線 TSM 網(wǎng)絡(luò)部署到 FPGA，通過 2D CNN 執(zhí)行視頻理解任務(wù)。

介紹

在這個項目中，展示了 Temporal-Shift-Module ( https://hanlab.mit.edu/projects/tsm/)在 FPGA 上解決視頻理解問題的實用性和性能。

TSM 是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以通過 2D CNN 有效學(xué)習(xí)時間關(guān)系。在較高級別上，這是通過一次對單個幀（在線 TSM）或多個幀（離線 TSM）執(zhí)行推理并在這些張量流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時在這些張量之間轉(zhuǎn)移激活來完成的。這是通過將shift操作插入 2D 主干網(wǎng)的bottleneck層（在本例中為 mobilenetv2 和 resnet50）來完成的。然后，該shift操作會打亂時間相鄰幀之間的部分輸入通道。

詳細(xì)的解析可以看下面的文章：

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https://zhuanlan.zhihu.com/p/64525610

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將這樣的模型部署到 FPGA 可以帶來許多好處。首先，由于 TSM 已經(jīng)在功效方面帶來了巨大優(yōu)勢，部署到 FPGA 可以進一步推動這一點。

TSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

我們將首先回顧這些 TSM 網(wǎng)絡(luò)的底層結(jié)構(gòu)以及到 DPU 兼容實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換。TSM 網(wǎng)絡(luò)的核心結(jié)構(gòu)是插入骨干模型bottleneck層中的時間shift模塊，以實現(xiàn)時間建模。例如，插入shift操作后，TSM MobilenetV2 bottleneck層具有以下結(jié)構(gòu)：

Online Shift

在演示的在線 TSM 網(wǎng)絡(luò)中，如果我們處于時間步驟 T，我們也處于推理輪 T。shift模塊將輸入通道的前 1/8 移位到包含來自上一推理輪的相同通道的shift緩沖區(qū)（ T – 1)。然后，第 (T – 1) 輪的內(nèi)容被移入 T 輪的當(dāng)前張量。

Offline Shift

對于離線 TSM，如 resnet50 演示（當(dāng)前禁用）中所使用的，shift緩沖區(qū)被繞過。相反，我們將N 個相鄰的時間步驟作為批次中的張量進行處理。通道可以在批次內(nèi)直接移動，而不是將步驟 (T – 1) 中的通道存儲在緩沖區(qū)中。此外，這使得能夠訪問批次內(nèi)的未來回合（即推理步驟 T 可以與步驟 T + 1 存在于同一批次中）。通過這種訪問，離線shift也會將通道從步驟 T + 1 移位到步驟 T 的張量中。

DPU模型優(yōu)化

為了將TSM部署到 DPU，需要對原始 TSM 模型進行兩項重大更改。第一個是將shift模塊與網(wǎng)絡(luò)分離，因為我們無法使用支持的張量流操作來實現(xiàn)shift操作。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們在每次出現(xiàn)shift模塊時對模型進行管道化。

通過將shift模塊放置在其自己的管道階段，我們可以靈活地從 DPU 內(nèi)核卸載shift操作。下面我們可以看到 MobilenetV2 在線 TSM 的前 4 個管道階段（從右到左）。如果比較兩個bottleneck層實現(xiàn)，并刪除shift操作，則這對應(yīng)于以下轉(zhuǎn)換，其中bottleneck層在移位模塊之前包含 1 個輸出，在shift模塊之后包含 2 個輸入。一個輸入包含來自頂部分支的移位后張量，另一個輸入包含底部分支中未移位的殘差張量。

為簡單起見，這里我們使用 mobilenetV2 主干網(wǎng)來可視化 TSM，但 resnet-50 主干網(wǎng)也使用相同的方法。

為了實現(xiàn)這種流水線結(jié)構(gòu)， Tensorflow 模型中有一個標(biāo)志，指示我們是否要生成不包括移位操作的拆分模型（用于 DPU 部署）或在 Tensorflow 中實現(xiàn)移位操作的普通統(tǒng)一模型。如果設(shè)置了分割標(biāo)志，則在每次移位操作之前添加新的輸出，并在移位后添加新的占位符，其中輸入移位后的輸入。

因為移位（shift）模塊僅插入到類似于上面所示的 3 級 MobilenetV2 瓶頸的結(jié)構(gòu)中，所以邏輯的實現(xiàn)得到了簡化。然而，對于 resnet 模型，我們確保在快捷路徑中的歸約邏輯之后插入移位管道階段。由于移位+卷積路徑在瓶頸層完成之前獨立于快捷路徑，因此快捷路徑上的操作可以放置在3個階段中的任何一個中。

DPU量化策略

雖然如上所述對模型進行流水線化簡化了轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，但由于我們的網(wǎng)絡(luò)不再是單個內(nèi)核，因此使 DPU 部署變得復(fù)雜。相反，我們?yōu)槊總€管道階段都有一個內(nèi)核，無需進行移位操作（MobilenetV2 為 11，resnet50 為 17）。

為了量化這樣的網(wǎng)絡(luò)，我們必須為每個內(nèi)核提供未量化的輸入。為了生成這些信息，我們的模型可以在沒有管道階段的情況下生成。然后，我們直接在 Tensorflow 中對來自真實校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的幀進行推理，但是我們在每個管道邊界轉(zhuǎn)儲中間網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。轉(zhuǎn)儲的狀態(tài)包括需要饋送到 vai_q_tensorflow 的節(jié)點名稱等元數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的張量數(shù)據(jù)。當(dāng)在校準(zhǔn)集中重復(fù)推理時，所有這些信息都會被“波及”。

轉(zhuǎn)儲此中間推理信息后，我們獲得了輸入 vai_q_tensorflow 的每個內(nèi)核的輸入張量。該邏輯全部由我們的tensorflow模型腳本和quantize_split.sh腳本中的DUMP_QUANTIZE標(biāo)志處理（項目結(jié)構(gòu)在“Deployment”部分中描述）。一旦對所有內(nèi)核運行量化，我們就可以為每個內(nèi)核生成一個 ELF 文件，就可以集成到我們的主代碼中。

演示

下面我們介紹 2 個平臺（ZCU104 和 Ultra96V2）和 2 個模型（MobilenetV2 Online TSM 和 Resnet50 Offline TSM）的性能細(xì)分。我們將 FPS 計算為 1/(預(yù)處理 + 推理延遲)。

MobilenetV2 在線 TSM 延遲：

ZCU104 (60.1 FPS) - B4096，300MHz，RAM 高，啟用所有功能

Ultra96V2 (38.4 FPS) - B2304，300MHz，RAM 低，啟用所有功能

現(xiàn)在，我們可以將推理延遲與之前在移動設(shè)備和 NVIDIA Jetson 平臺上收集的 TSM 數(shù)據(jù)進行比較。