還得是英特爾！只用CPU給AlphaFold2加速，性能直接提升達(dá)23倍

2022年10月13日 15:05:43 來源：中文科技資訊

　　攪翻計(jì)算生物界的AlphaFold2一開源，各種加速方案就爭(zhēng)相涌現(xiàn)。

　　妹想到啊，現(xiàn)在居然有了個(gè)CPU的推理優(yōu)化版本，不用GPU，效果也出人意料的好——

　　端到端的通量足足提升到原來的23.11倍。

　　△ 高達(dá)23.11倍的提升不是一蹴而就，但依然驚艷

　　換個(gè)更具體的數(shù)據(jù)，它直接讓AlphaFold2的通量從每天約4.6個(gè)序列提升到了約105.4個(gè)。

　　要知道，由DeepMind開源的AlphaFold2，通過AI算法對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)了接近實(shí)驗(yàn)精度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，可謂是公認(rèn)的AI for Science標(biāo)桿。

　　該領(lǐng)域也一直被認(rèn)為是最吃AI專用加速芯片，如GPU紅利的前沿方向。

　　這一最新成果的釋出，就意味著CPU也能在AI for Science領(lǐng)域占有一席之地，并發(fā)揮巨大、而且是出乎大家意料的威力。

　　同樣，這個(gè)成果也意味著AI for Science的入場(chǎng)門檻正在被拉低，對(duì)那些想從事基礎(chǔ)科研和創(chuàng)新，但還沒有布局異構(gòu)IT基礎(chǔ)設(shè)施，或沒有大規(guī)模采用AI專用加速芯片的企業(yè)和機(jī)構(gòu)而言也是個(gè)難得的福音，意味著他們依靠更常見的IT基礎(chǔ)設(shè)施就能開展工作。

　　那么這個(gè)優(yōu)化方案究竟是如何做到的?一起來看。

　　只用CPU加速AlphaFold2，優(yōu)勢(shì)在哪?

　　這在其預(yù)處理、推理、后處理三個(gè)部分都有所體現(xiàn)。

　　預(yù)處理階段，由于輸入的氨基酸序列所含信息不多，AlphaFold2一般會(huì)先利用已知信息(蛋白質(zhì)序列、結(jié)構(gòu)模板)來提升預(yù)測(cè)精度，以此拿到MSA表征(MSA representation)和鄰接表征(pair representation)的三維張量。

　　這就意味著AlphaFold2屬于大張量模型，在嵌入層的瓶頸不在于并行計(jì)算，而是在于內(nèi)存消耗和異構(gòu)數(shù)據(jù)通信。

　　這正是CPU所擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。

　　再看模型推理階段。

　　該階段通過一個(gè)由48個(gè)塊(Block)組成的Evoformer網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行表征融合。

　　該網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制是利用Self-Attention來學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)的三角幾何約束信息，讓兩種表征信息相互影響，從而使得模型能直接推理出相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)，且要循環(huán)三次。

　　結(jié)構(gòu)層還會(huì)基于不動(dòng)點(diǎn)注意力機(jī)制，對(duì)三維結(jié)構(gòu)的每個(gè)原子進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后合成一個(gè)高度準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　這一番動(dòng)作下來，對(duì)算力是個(gè)大考驗(yàn)。

　　而且原版AlphaFold2會(huì)受到顯存限制，導(dǎo)致能夠探索的蛋白質(zhì)序列長(zhǎng)度不足1000aa。但很多蛋白質(zhì)的序列長(zhǎng)度動(dòng)輒都是2k、3k。

　　最終在后處理階段，將使用Amber力場(chǎng)分析方法對(duì)獲得的三維結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，并輸出最終的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。

　　DeepMind團(tuán)隊(duì)提到，他們用128塊TPUv3從頭訓(xùn)練一遍AlphaFold2，需要11天的時(shí)間。

　　同時(shí)，AlphaFold2代碼是基于JAX的，偏向于專業(yè)從事AI科學(xué)計(jì)算的研究人員，普通開發(fā)人員部署起來也比較困難。

　　種種挑戰(zhàn)之下，導(dǎo)致AlphaFold2自開源后，相應(yīng)的加速方案也接連涌現(xiàn)。不過無論是訓(xùn)練還是推理，市面上更多見的，還是基于AI專用加速芯片，如GPU的方案。

　　完全基于CPU的加速方案還是頭一回見，而且一上來就在性能增幅上震驚四座，推理通量可提升到優(yōu)化前的23倍之多。

　　具體到底是怎么做的?

　　如何只靠CPU增效達(dá)23倍?

　　提到CPU，你可能已經(jīng)想到方案的提出者是誰了——

　　沒錯(cuò)，就是那個(gè)名字，英特爾。

　　他們基于目前最新的第三代至強(qiáng)可擴(kuò)展平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)了“23.11倍”的通量?jī)?yōu)化成果(相比未優(yōu)化時(shí))，其中有5.05倍是靠模型本身的優(yōu)化所帶來，還有4.56倍則是來自傲騰持久內(nèi)存提供的TB級(jí)內(nèi)存支持。

　　△ 第三代英特爾® 至強(qiáng)® 可擴(kuò)展處理器

　　其整體流程，就是先在預(yù)處理階段對(duì)模型進(jìn)行高通量?jī)?yōu)化，然后將模型遷移到PyTorch框架下，接著再在PyTorch版本上進(jìn)行細(xì)節(jié)上的推理優(yōu)化，最后給予TB級(jí)內(nèi)存支持以解決AlphaFold2的內(nèi)存瓶頸，由此達(dá)到不輸專用加速芯片的效果。

　　更具體點(diǎn)，這些優(yōu)化一共分為五步。

　　01、預(yù)處理階段高通量?jī)?yōu)化

　　如前文所述，此階段模型在進(jìn)行蛋白質(zhì)序列和模版搜索時(shí)需要計(jì)算平臺(tái)執(zhí)行大量的向量/矩陣運(yùn)算——處理器能不能夠火力全開就顯得尤為重要。

　　第一步優(yōu)化就在此展開，不過這步的優(yōu)化非常簡(jiǎn)單，就是借助至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器自帶的多核心、多線程和大容量高速緩存能力直接加速，提升MSA和模板搜索通量。

　　至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器內(nèi)置的AVX-512指令集和支持的NUMA ( Non-Uniform Memory Access，非一致存儲(chǔ)訪問) 架構(gòu)等技術(shù)，能以提供最大512位向量計(jì)算能力的顯著高位寬優(yōu)勢(shì)，來提升計(jì)算過程中的向量化并行程度，從而進(jìn)一步提升預(yù)處理階段的整體效率。

　　這步優(yōu)化支持所有至強(qiáng)可擴(kuò)展系列CPU，且只需在ICC編譯器中添加一句簡(jiǎn)單的配置就OK：

　　-O3 -no-prec-div -march=icelake-server

　　02、遷移到面向英特爾® 架構(gòu)優(yōu)化的 PyTorch

　　在預(yù)處理階段的高通量?jī)?yōu)化完成后，就需要將模型遷至PyTorch了。

　　因?yàn)樵糀lphaFold2所基于的JAX庫所提供的加速能力主要針對(duì)GPU，且在英特爾® 架構(gòu)平臺(tái)上能夠發(fā)揮的功能有限。

　　而PyTorch擁有良好的動(dòng)態(tài)圖糾錯(cuò)方法，與haiku-API有著相似的風(fēng)格(AlphaFold2一部分也基于haiku-API實(shí)現(xiàn))，就更別說還有英特爾® oneAPI工具套件提供的針對(duì)PyTorch的優(yōu)化“利器”：Intel® Extensions for PyTorch (IPEX)。

　　因此，為了實(shí)現(xiàn)更好的優(yōu)化效果，需要在這里完成 PyTorch版本的遷移。

　　03、PyTorch JIT

　　接下來，為了提高模型的推理速度，便于后續(xù)利用IPEX的算子融合等加速手段進(jìn)行深入優(yōu)化，英特爾又將遷移后的代碼進(jìn)行了一系列的API改造，在不改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那疤嵯�，引入PyTorch Just-In-Time (JIT) 圖編譯技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)最終轉(zhuǎn)化為靜態(tài)圖。

　　以上都還只是“熱身動(dòng)作”，下面才是展現(xiàn)“真正的實(shí)力”的時(shí)候——

　　04、切分Attention+算子融合

　　首先，通過算法設(shè)計(jì)分析，英特爾發(fā)現(xiàn)，在AlphaFold2模型的嵌入層有一個(gè)叫做ExtraMsaStack的模塊，其注意力模塊包含了大量的偏移量計(jì)算。

　　這些運(yùn)算需要靠張量間的矩陣運(yùn)算來完成。

　　其過程就會(huì)伴隨著張量的擴(kuò)張，而張量擴(kuò)張到一定規(guī)模后，就會(huì)讓模型內(nèi)存需求變得巨大。

　　比如一個(gè)“5120x1x1x64”的張量，其初始內(nèi)存需求只要1.25MB，擴(kuò)張過程中就可達(dá)到930MB。

　　這一下子爆出的內(nèi)存峰值壓力，會(huì)讓內(nèi)存資源在短時(shí)間耗盡，繼而可能引發(fā)推理任務(wù)的失敗。

　　同時(shí)別忘了，大張量運(yùn)算所需的海量?jī)?nèi)存還會(huì)帶來不可忽略的內(nèi)存分配過程，徒增執(zhí)行耗時(shí)。

　　那么，英特爾的第四步優(yōu)化就瞄準(zhǔn)這兩個(gè)“痛點(diǎn)”，對(duì)注意力模塊來了個(gè)“大張量切分”的優(yōu)化思路，化大張量為多個(gè)小張量。

　　比如將上述“5120x1x1x64”的張量切分為“320x1x1x64”后，其擴(kuò)張所需的內(nèi)存就由930MB降至59.69MB，只占原來的6.4%左右。

　　沒有了大內(nèi)存之需，也就不需要進(jìn)行內(nèi)存分配了，因此，張量切分后推理速度也上來了。

　　比如從下圖我們就可以看到，注意力模塊的效率在切片前后有著非常明顯的差別。

　　△ 注意力模塊切分前后對(duì)比

　　這還沒完。

　　接著，英特爾利用PyTorch自帶的Profiler對(duì)AlphaFold2的Evoformer網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了算子跟蹤分析。

　　然后他們發(fā)現(xiàn)，有兩種算子(Einsum和Add)的資源占用率很高，且總是連續(xù)同時(shí)存在。

　　因此，英特爾就使用IPEX工具提供的算子融合能力將它倆的計(jì)算過程進(jìn)行融合，以省去中間建立臨時(shí)緩存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)間，提高整體效率。

　　從下圖我們可以看到，兩算子融合后光是在單元檢測(cè)中的計(jì)算效率就提升到了原來的6倍。

　　△ 算子 Einsum+Add 融合效果圖

　　至此，經(jīng)過以上幾個(gè)步驟的優(yōu)化，AlphaFold2在CPU上的總體性能已經(jīng)得到了大約5倍的提升。

　　還差最后一步：

　　05、多實(shí)例并行優(yōu)化

　　在這一步，英特爾先利用至強(qiáng)可擴(kuò)展平臺(tái)上基于NUMA架構(gòu)的核心綁定技術(shù)，讓每個(gè)推理工作負(fù)載都能穩(wěn)定地在同一組核心上執(zhí)行，并優(yōu)先訪問對(duì)應(yīng)的近端內(nèi)存，從而提供更優(yōu)、也更穩(wěn)定的并行算力輸出。

　　然后引入英特爾® MPI庫幫助模型在多實(shí)例并行推理計(jì)算時(shí)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的時(shí)延、帶寬和可擴(kuò)展性。

　　但這些動(dòng)作還不足以破解限制AlphaFold2發(fā)揮潛能的一個(gè)重要因素：內(nèi)存瓶頸。

　　眾所周知，在面向不同蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)測(cè)序工作中，序列長(zhǎng)度越長(zhǎng)，推理計(jì)算復(fù)雜度就越大。

　　而在我們對(duì)模型進(jìn)行了并行計(jì)算能力的優(yōu)化后，更多計(jì)算實(shí)例的加入還會(huì)進(jìn)一步凸顯這一問題。

　　英特爾用“星際探索”這一比喻對(duì)這種現(xiàn)象做了非常形象的說明。

　　△ 不同序列長(zhǎng)度的蛋白質(zhì)所代表的計(jì)算復(fù)雜度示意圖

　　可以看到，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)序列長(zhǎng)度達(dá)到4700aa時(shí)，此時(shí)內(nèi)存需求就已經(jīng)大于1.3TB，計(jì)算復(fù)雜度對(duì)于系統(tǒng)來說就相當(dāng)于“探索宇宙級(jí)別”了。

　　如果再加上64個(gè)實(shí)例并行執(zhí)行，內(nèi)存容量的需求就會(huì)沖到一個(gè)令人驚嘆的量級(jí)。

　　那么，一個(gè)具備超大容量?jī)?nèi)存支持的平臺(tái)就顯得尤為重要。

　　給至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器配上傲騰持久內(nèi)存便可滿足這一需求。

　　△ 英特爾® 傲騰™ 持久內(nèi)存

　　提到傲騰持久內(nèi)存，我們并不陌生。今年6月在《用CPU方案打破內(nèi)存墻?學(xué)Paypal堆傲騰擴(kuò)容量，漏查欺詐交易量可降至1/30》一文中已經(jīng)小結(jié)了它對(duì)于AI應(yīng)用的關(guān)鍵作用，即提供更大容量的內(nèi)存子系統(tǒng)來滿足那些內(nèi)存敏感型AI應(yīng)用將更多數(shù)據(jù)貼近算力的需求。

　　目前最新一代的傲騰持久內(nèi)存200系列，可以在提供接近主流DRAM內(nèi)存性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)每路高達(dá)4TB的容量，或者說，與DRAM內(nèi)存組合時(shí)可提供每路高達(dá)6TB的內(nèi)存總?cè)萘俊?/p>

　　有了它，我們甚至能夠?qū)崿F(xiàn)10000aa序列長(zhǎng)度的蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。

　　用了它，英特爾這個(gè)方案的優(yōu)化就基本完成，模型的總體性能也可在之前優(yōu)化步驟的基礎(chǔ)上再次得到4.56倍的提升。

　　最后，附上一份用于這個(gè)優(yōu)化方案的英特爾官方推薦配置。

　　△ AlphaFold2 高通量推理實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)——英特爾推薦配置

　　如果你想看更多細(xì)節(jié)中的細(xì)節(jié)，也可以訪問英特爾公開分享的白皮書《通量提升達(dá)23.11倍!至強(qiáng)可擴(kuò)展平臺(tái)助力AlphaFold2端到端優(yōu)化》。

　　或者觀看英特爾聯(lián)合國際學(xué)術(shù)期刊《Science》推出的“架構(gòu)師成長(zhǎng)計(jì)劃”第二季第八期課程《AI驅(qū)動(dòng)的生命科學(xué)創(chuàng)新范式之變》。

　　其中不但有量子位總編輯李根、晶泰科技首席研發(fā)科學(xué)家楊明俊博士和英特爾人工智能架構(gòu)師楊威博士圍繞這個(gè)主題的精彩討論，還有晶泰科技在AI制藥領(lǐng)域的領(lǐng)先實(shí)踐分享，以及英特爾這個(gè)AlphaFold2優(yōu)化方案更為細(xì)致且可視化的呈現(xiàn)。

　　經(jīng)驗(yàn)和成果在業(yè)界已開始擴(kuò)散

　　光說不練假把式，英特爾這個(gè)方案看起來很美，但要真正實(shí)現(xiàn)落地才能讓人信服。

　　事實(shí)上，在對(duì)這個(gè)方案進(jìn)行摸索和開發(fā)的過程中，英特爾與相關(guān)領(lǐng)域合作伙伴或用戶的協(xié)作與交流就一直沒停過，不但吸收了各方的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了博采眾長(zhǎng)和互相借鑒、啟發(fā)。

　　在成型后，也第一時(shí)間廣泛分享給到伙伴和用戶們，讓他們能夠根據(jù)自身特定的環(huán)境、應(yīng)用狀況和需求，開展實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證和推進(jìn)更進(jìn)一步的探索。

　　例如國內(nèi)某高校就曾嘗試在數(shù)百臺(tái)基于至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器的服務(wù)器上，采用該方案提供的經(jīng)驗(yàn)和方法來進(jìn)行測(cè)試，并取得了一舉兩得的結(jié)果——

　　其順利實(shí)踐了短序列高通量的、面向蛋白質(zhì)組學(xué)級(jí)別的批量化結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，既降低了蛋白質(zhì)組的AlphaFold2預(yù)測(cè)成本，又提高了集群推理的總通量。

　　上文提及的國內(nèi)明星AI制藥公司晶泰科技，也在自身的研發(fā)中，將自主研發(fā)的AI算法與AlphaFold2結(jié)合，從而驗(yàn)證靶點(diǎn)、精確解析活性構(gòu)象，為后續(xù)的藥物發(fā)現(xiàn)打下良好基礎(chǔ)。

　　通過充分利用CPU的TB級(jí)內(nèi)存支持，在公有云上部署英特爾版AlphaFold2優(yōu)化方案后，科學(xué)家可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)短序列的單節(jié)點(diǎn)高通量推理優(yōu)化，從而加快蛋白組學(xué)結(jié)構(gòu)分析進(jìn)程，并預(yù)測(cè)序列長(zhǎng)度超過4700aa的蛋白質(zhì)序列。

　　這不光能拓展AlphaFold2在研發(fā)中的探索范圍，也能以更低的成本，讓更高精度的算法工具作用于更早的研發(fā)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步加速藥物發(fā)現(xiàn)。

　　蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，只是AI for Science的序幕

　　不久前，引爆了AI for Science的AlphaFold2又公開了新進(jìn)展——

　　它已經(jīng)成功預(yù)測(cè)出包括植物、細(xì)菌、真菌在內(nèi)的100萬個(gè)物種的2.14億個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并將數(shù)據(jù)集對(duì)外開源。

　　而這些，都還只是AI for Science的序幕。

　　在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、生物計(jì)算、藥物開發(fā)之外，AI在物理、天文、化學(xué)等領(lǐng)域也開始逐漸展露頭角。

　　前沿領(lǐng)域，今年《Nature》上的一項(xiàng)“改寫物理教科書”的研究，正是通過AI開展的。

　　歐洲核子研究組織(CERN)的科學(xué)家利用機(jī)器學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子內(nèi)部存在5個(gè)夸克的有力證據(jù)，這一成果顛覆了一直以來質(zhì)子只有三個(gè)夸克的理論。

　　應(yīng)用落地層面，前面提到的晶泰科技已經(jīng)構(gòu)建了一套智能計(jì)算、自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)、專家經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的三位一體的研發(fā)模式，提供一站式小分子藥物發(fā)現(xiàn)、大分子藥物發(fā)現(xiàn)，藥物固體形態(tài)研發(fā)，以及化學(xué)合成服務(wù)。

　　晶泰科技目前已建成數(shù)千平的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室，與智能算法“干濕結(jié)合”，形成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與算法預(yù)測(cè)間的交互閉環(huán)，保證AI算法的產(chǎn)業(yè)落地和交付能力。