為OpenVINO添加對Paddle 2.5的支持

作者：盧暢，英特爾 OpenVINO工具套件領航者聯盟成員，PPDE

1. 前言

我是飛槳黑客馬拉松第五期OpenVINO賽題獲獎者——為 OpenVINO添加了對 Paddle 2.5 的支持。在此記錄下來貢獻的過程，希望有更多的同學可以參與到 OpenVINO的社區建設當中來。我在貢獻代碼的過程中，也遇到了一些問題，在此，非常感謝英特爾的技術老師們非常耐心地指導我，幫助我解決了問題！

那么，接下來就讓我們正式進入正題！

2. 介紹

2.1OpenVINO 是什么？

OpenVINO是英特爾推出的一款深度學習推理框架，它可以將訓練好的模型轉換為 OpenVINO支持的 IR 格式，從而可以在 OpenVINO的推理引擎上進行推理。

OpenVINO支持多種深度學習框架，包括 Paddle、TensorFlow、PyTorch 等。

2.2任務說明

在這個任務完成之前，OpenVINO只支持 Paddle 2.4 的版本，由于 Paddle 2.5 的一些接口變動，OpenVINO無法直接支持 Paddle 2.5。同時，由于 Paddle 2.4 版本并不支持 Python 3.11，因此 OpenVINO默認關閉了對 Paddle 的支持，需要手動開啟，在手動開啟后，又會遇到無法編譯出 Paddle 相關單側的問題。

本任務的目標是為 OpenVINO添加對 Paddle 2.5 的支持，并確保 OpenVINO可以正常編譯出 Paddle 相關單側且線上 CI 均可通過。

3. 開發過程

3.1問題分析

在任務開始之前，OpenVINO開啟對 Paddle 的支持后主要會遇到兩個問題：

1API名稱變動導致的編譯報錯，如：

paddle.fluid.layers.elementwise_add -> paddle.add

2API名稱變動導致的編譯報錯，如：paddle.fluid.layers.elementwise_add -> paddle.add

針對上面這兩個問題，主要的解決方案如下：

1將老 API 與新 API 名稱映射

2修改名稱/屬性變動的 API

3修復因 Op 行為變動導致的單側報錯

3.2將老 API 與新 API 名稱映射

由于 Paddle 2.5 版本在 API 層面發生了較大的變化，因此需要將老 API 與新 API 名稱進行映射，這樣 OpenVINO中的代碼就可以使用新 API 名稱，從而解決 API 名稱變動導致的編譯報錯問題。該問題可參考 Paddle 官網的 API 映射表。

鏈接：

https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/guides/model_convert/convert_from_older_versions/paddle_api_mapping_cn.html#paddle-1-8-paddle-2-0-api

為了兼容老版本的 API，OpenVINO中的代碼需要同時支持新 API 與老 API，因此需要在 generate_xxx.py中進行相應修改。

  with paddle.static.program_guard(paddle.static.Program(), paddle.static.Program()):
    node_x = paddle.static.data(name='x', shape=x.shape, dtype=x.dtype)
    node_i = paddle.full(shape=[1], fill_value=0, dtype='int64', name='i')
    if paddle.__version__ >= '2.0.0':
      node_i = paddle.add(node_i, node_x)
    else:
      paddle.fluid.layers.nn.elementwise_add(node_i, node_x)
    node_ten = paddle.full(shape=[1], fill_value=10, dtype='int64', name='ten')

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代碼中的paddle.fluid.layers.nn.elementwise_add就是老版本的 API，而 paddle.add就是新版本的 API。

3.3修改名稱/屬性變動的 API

對于部分 API 接口，老版本與新版本的名稱或屬性發生了變化，因此需要給 OpenVINO中的代碼進行相應的修改。比如 paddle.fluid.layers.relu6(x, threshold=6.0, name=None)和 paddle.nn.functional.relu6(x, name=None)的屬性發生了變化。

可以看到，paddle.fluid.dygraph.relu6中的 threshold屬性在新版本中被刪除了。

這種情況下需要確認 Python 源碼中是否修改底層 C++ 源碼，如果是修改了 C++ 源碼，那么需要在 OpenVINO的op源碼中進行相應的修改。如果沒有修改 C++ 源碼，那么只需要對應修改 Python 源碼即可。

一般情況下，底層 C++ 源碼不會修改，Python 層一般是修改屬性的名稱，修改屬性的默認值，刪除某個屬性等。

比如新版本 relu6在 Paddle 的 Python 端的實現如下：

def relu6(x, name=None):
  threshold = 6.0
  if in_dynamic_or_pir_mode():
    return _C_ops.relu6(x)


  check_variable_and_dtype(
    x, 'x', ['float16', 'uint16', 'float32', 'float64'], 'relu6'
  )
  helper = LayerHelper('relu6', **locals())
  out = helper.create_variable_for_type_inference(x.dtype)
  helper.append_op(
    type='relu6',
    inputs={'X': x},
    outputs={'Out': out},
    attrs={'threshold': threshold},
  )
  return out

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通過實現代碼可以看到，新版本的 relu6在 Python 端并沒有修改 C++ 源碼，只是刪除了 threshold屬性，在調用 C++ 源碼時，將 threshold屬性設置為了默認值 6.0。

因此，對于這種情況，只需要修改 OpenVINO中的 Python 單側代碼即可，不需要修改 C++ 源碼。OpenVINO在進行模型轉化的時候是對底層op 進行轉化，因此只要 Paddle 沒有修改底層 Op 的行為，那么 OpenVINO就不需要修改 Op 相關的代碼。

3.4修復因 Op 行為變動導致的單側報錯

在 Paddle 2.5 版本中，部分 Op 的行為發生了變化，導致 OpenVINO中的單側報錯。比如 paddle.argmax新增了 0-d tensor的支持，但是 OpenVINO中的 Op 并沒有對應的修改。想要修復這種問題，需要結合單側報錯的具體情況進行相應的修改。

在介紹如何修復單側報錯之前，先介紹一下 OpenVINO的算子支持機制。

3.4.1 OpenVINO算子支持機制

接下來我們先看一下 OpenVINO中的算子支持機制。

通過 Paddle 官方提供的 Topk_v2 樣例進行說明：

// Copyright (C) 2018-2021 Intel Corporation
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0


#include "default_opset.hpp"
#include "openvino/frontend/paddle/node_context.hpp"


namespace ov {
namespace frontend {
namespace paddle {
namespace op {
NamedOutputs top_k_v2(const NodeContext& node) {
  auto x = node.get_input("X");
  Output k_expected_node;
  if (node.has_input("K")) {
    auto k_variable = node.get_input("K");
    auto k_var_node = std::make_shared(k_variable, element::i32);
    k_expected_node = std::make_shared(k_var_node);
  } else {
    const auto k_expected = node.get_attribute("k", 1);
    k_expected_node = default_opset::i32, {}, {k_expected});
  }


  auto axis = node.get_attribute("axis", -1);
  bool sorted = node.get_attribute("sorted", true);
  bool largest = node.get_attribute("largest", true);


  std::string sort_type = sorted ? "value" : "none";
  std::string mode = largest ? "max" : "min";


  auto node_topk = std::make_shared(x, k_expected_node, axis, mode, sort_type);


  NamedOutputs named_outputs;
  named_outputs["Out"] = OutputVector{node_topk->output(0)};
  named_outputs["Indices"] = OutputVector{node_topk->output(1)};


  return named_outputs;
}
} // namespace op
} // namespace paddle
} // namespace frontend
} // namespace ov

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在 OpenVINO中，一般來說每個算子都是一個單獨的文件，比如 Topk_v2 算子對應的文件就是 topk_v2.cpp。在這個文件中，我們可以看到 top_k_v2函數，這個函數就是 OpenVINO中的 Topk_v2 算子的實現。

在這個函數中，我們可以看到 auto x = node.get_input("X");，這個函數就是獲取輸入的 Tensor，auto node_topk = std::make_shared(x, k_expected_node, axis, mode, sort_type);這個函數就是創建 Topk_v2 算子，named_outputs["Out"] = OutputVector{node_topk->output(0)};這個函數就是獲取輸出的 Tensor。

每個Op都可以映射為一個圖結構，數據根據圖結構在不同的計算節點之間流通和計算，而Node便定義了圖結構中的數據節點，通過實現每一個Node，便可以通過組合實現更多的算子。

Op 轉換的代碼需要寫在 src/frontends/paddle/src/op/目錄下，并在 src/frontends/paddle/src/op_table.cpp中進行注冊。

單測代碼需要寫在 src/core/tests/frontend/paddle/test_models/gen_scripts目錄中，并在 src/core/tests/frontend/paddle/op_fuzzy.cpp中進行注冊。

3.4.2 修復因 Op 行為變動導致的單側報錯

下面以 paddle.argmax為例，介紹如何修復因 Op 行為變動導致的單側報錯。

修復此類問題一般只能見招拆招，需要結合單側報錯的具體情況進行相應的修改。比如 paddle.argmax新增了 0-d tensor的支持，但是 OpenVINO中的 Op 并沒有對應的修改。因此，我們需要在 OpenVINO中的 Op 中添加對 0-d tensor的支持。經過對代碼的分析我們可以發現，OpenVINO中該 Op 是通過 std::make_shared(node_reshape, k, axis, "max", "index", index_element_type);實現的，但是 TopK并沒有對 0-d tensor進行支持。我們可以判斷 output_size 是否為 0，如果為 0，那么就組合一個 Slice節點返回即可。以下是修改后的代碼：

NamedOutputs argmax(const NodeContext& node) {
  auto data = node.get_input("X");
  bool flatten = node.get_attribute("flatten");
  const element::Type& index_element_type = element::i64;
  const Output k = ov::i64, {}, {1});


  if (!flatten) {
    auto axis = node.get_attribute("axis");
    const auto axis_to_remove = ov::u64, Shape{}, {axis});
    auto node_topk = std::make_shared(data, k, axis, "max", "index", index_element_type);
    const auto reshaped_indices = std::make_shared(node_topk->output(1), axis_to_remove);
    return node.default_single_output_mapping(
      {std::make_shared(reshaped_indices, element::i64)},
      {"Out"});
  } else {
    int64_t axis = 0;
    const Output reshape_flatten = ov::i64, {1}, {-1});
    auto node_reshape = std::make_shared(data, reshape_flatten, true);
    auto node_topk = std::make_shared(node_reshape, k, axis, "max", "index", index_element_type);
    const auto output_info = node.get_output_port_infos("Out");
    // 獲取輸出的維度
    size_t output_size = output_info[0].second.size();
    // 如果輸出的維度為0，那么就組合一個Slice節點返回
    if (output_size == 0) {
      auto out = std::make_shared(node_topk->output(1));
      return node.default_single_output_mapping({std::make_shared(out, element::i64)},
                           {"Out"});
    } else {
      return node.default_single_output_mapping(
        {std::make_shared(node_topk->output(1), element::i64)},
        {"Out"});
    }
  }
}

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除了 argmax 之外，還有一些 Op 也需要進行相應的修改：

?p_norm

?reduce_ops

?matmul_v2

?elementwise_floordiv

具體的修改可以參考 PR

4. 總結

這次的黑客松活動，讓我對 OpenVINO有了更深入的了解。

OpenVINO的工程師們非常熱心，對于社區的問題都會非常耐心的解答。我也是第一次在 PR 頁面有 144 次的 Conversation。

整個 PR 的周期大概是 3 個月，期間經歷了很多次的修改，最終才能夠被合并。在這次的活動中，我也學到了很多知識，比如 OpenVINO的算子支持機制，Op 的單側測試等。

希望有更多的同學可以參與到 OpenVINO的社區建設當中來，為 OpenVINO的發展及開源社區的建設貢獻自己的力量！

審核編輯：湯梓紅