基本介绍 || 快速入门 || 张量 Tensor || 数据集 Dataset || 数据变换 Transforms || 网络构建 || 函数式自动微分 || 模型训练 || 保存与加载

基本介绍

本节将会整体介绍昇思MindSpore和华为昇腾AI全栈，并介绍昇思MindSpore在华为昇腾AI全栈中的位置。对昇思MindSpore感兴趣的开发者，最后可以参与昇思MindSpore的社区并一键三连（Watch/Star/Fork）。

昇思MindSpore介绍

昇思MindSpore是一个全场景深度学习框架，旨在实现易开发、高效执行、全场景覆盖三大目标。

其中，易开发表现为API友好、调试难度低；高效执行包括计算效率、数据预处理效率和分布式训练效率；全场景则指框架同时支持云、边缘以及端侧场景。

昇思MindSpore总体架构如下图所示：

• ModelZoo（模型库）：ModelZoo提供可用的深度学习算法网络，也欢迎更多开发者贡献新的网络(ModelZoo地址)。

• Extend（扩展库）：昇思MindSpore的领域扩展库，支持拓展新领域场景，如GNN/深度概率编程/强化学习等，期待更多开发者来一起贡献和构建。

• Science（科学计算）：MindScience是基于昇思MindSpore融合架构打造的科学计算行业套件，包含了业界领先的数据集、基础模型、预置高精度模型和前后处理工具，加速了科学行业应用开发。

• Expression（全场景统一API）：基于Python的前端表达与编程接口，支持两个融合（函数/OOP编程范式融合、AI+数值计算表达融合）以及两个统一（动静表达统一、单机分布式表达统一）。

• 第三方前端：支持第三方多语言前端表达，未来计划陆续提供C/C++、华为自研编程语言前端-仓颉（目前还处于预研阶段）等第三方前端的对接工作，引入更多的第三方生态。

• Data（数据处理层）：提供高效的数据处理、常用数据集加载等功能和编程接口，支持用户灵活地定义处理注册和pipeline并行优化。

• Compiler（AI编译器）：图层的核心编译器，主要基于端云统一的MindIR实现三大功能，包括硬件无关的优化（类型推导、自动微分、表达式化简等）、硬件相关优化（自动并行、内存优化、图算融合、流水线执行等）、部署推理相关的优化（量化、剪枝等）。

• Runtime（全场景运行时）：昇思MindSpore的运行时系统，包含云侧主机侧运行时系统、端侧以及更小IoT的轻量化运行时系统。

• Insight（可视化调试调优工具）：昇思MindSpore的可视化调试调优工具，能够可视化地查看训练过程、优化模型性能、调试精度问题、解释推理结果。

• Armour（安全增强库）：面向企业级运用时，安全与隐私保护相关增强功能，如对抗鲁棒性、模型安全测试、差分隐私训练、隐私泄露风险评估、数据漂移检测等技术。

执行流程

有了对昇思MindSpore总体架构的了解后，我们可以看看各个模块之间的整体配合关系，具体如图所示：

昇思MindSpore作为全场景AI框架，所支持的有端（手机与IOT设备）、边（基站与路由设备）、云（服务器）场景的不同系列硬件，包括昇腾系列产品、英伟达NVIDIA系列产品、Arm系列的高通骁龙、华为麒麟的芯片等系列产品。

左边蓝色方框的是MindSpore主体框架，主要提供神经网络在训练、验证相关的基础API功能，另外还会默认提供自动微分、自动并行等功能。

蓝色方框往下是MindSpore Data模块，可以利用该模块进行数据预处理，包括数据采样、数据迭代、数据格式转换等不同的数据操作。在训练的过程会遇到很多调试调优的问题，因此有MindSpore Insight模块对loss曲线、算子执行情况、权重参数变量等调试调优相关的数据进行可视化，方便用户在训练过程中进行调试调优。

AI安全最简单的场景就是从攻防的视角来看，例如，攻击者在训练阶段掺入恶意数据，影响AI模型推理能力，于是MindSpore推出了MindSpore Armour模块，为MindSpore提供AI安全机制。

蓝色方框往上的内容跟算法开发相关的用户更加贴近，包括存放大量的AI算法模型库ModelZoo，提供面向不同领域的开发工具套件MindSpore DevKit，另外还有高阶拓展库MindSpore Extend，这里面值得一提的就是MindSpore Extend中的科学计算套件MindSciences，MindSpore首次探索将科学计算与深度学习结合，将数值计算与深度学习相结合，通过深度学习来支持电磁仿真、药物分子仿真等等。

神经网络模型训练完后，可以导出模型或者加载存放在MindSpore Hub中已经训练好的模型。接着有MindIR提供端云统一的IR格式，通过统一IR定义了网络的逻辑结构和算子的属性，将MindIR格式的模型文件 与硬件平台解耦，实现一次训练多次部署。因此如图所示，通过IR把模型导出到不同的模块执行推理。

设计理念

• 支持全场景协同

  昇思MindSpore源于全产业的最佳实践，向数据科学家和算法工程师提供了统一的模型训练、推理和导出等接口，支持端、边、云等不同场景下的灵活部署，推动深度学习和科学计算等领域繁荣发展。

• 提供Python编程范式，简化AI编程

  昇思MindSpore提供了Python编程范式，用户使用Python原生控制逻辑即可构建复杂的神经网络模型，AI编程变得简单。

• 提供动态图和静态图统一的编码方式

  目前主流的深度学习框架的执行模式有两种，分别为静态图模式和动态图模式。静态图模式拥有较高的训练性能，但难以调试。动态图模式相较于静态图模式虽然易于调试，但难以高效执行。 昇思MindSpore提供了动态图和静态图统一的编码方式，大大增加了静态图和动态图的可兼容性，用户无需开发多套代码，仅变更一行代码便可切换动态图/静态图模式，用户可拥有更轻松的开发调试及性能体验。例如：

  设置set_context(mode=PYNATIVE_MODE)可切换成动态图模式。

  设置set_context(mode=GRAPH_MODE)可切换成静态图模式。

• 采用函数式可微分编程架构，使用户聚焦于模型算法的数学原生表达

  神经网络模型通常基于梯度下降算法进行训练，但手动求导过程复杂，结果容易出错。昇思MindSpore的基于源码转换（Source Code Transformation，SCT）的自动微分（Automatic Differentiation）机制采用函数式可微分编程架构，在接口层提供Python编程接口，包括控制流的表达。用户可聚焦于模型算法的数学原生表达，无需手动进行求导。

• 统一单机和分布式训练的编码方式

  随着神经网络模型和数据集的规模不断增大，分布式并行训练成为了神经网络训练的常见做法，但分布式并行训练的策略选择和编写十分复杂，这严重制约着深度学习模型的训练效率，阻碍深度学习的发展。MindSpore统一了单机和分布式训练的编码方式，开发者无需编写复杂的分布式策略，在单机代码中添加少量代码即可实现分布式训练，提高神经网络训练效率，大大降低了AI开发门槛，使用户能够快速实现想要的模型。

  例如设置set_auto_parallel_context(parallel_mode=ParallelMode.AUTO_PARALLEL)便可自动建立代价模型，为用户选择一种较优的并行模式。

层次结构

昇思MindSpore向用户提供了3个不同层次的API，支撑用户进行AI应用（算法/模型）开发，从高到低分别为High-Level Python API、Medium-Level Python API以及Low-Level Python API。高阶API提供了更好的封装性，低阶API提供更好的灵活性，中阶API兼顾灵活及封装，满足不同领域和层次的开发者需求

• High-Level Python API

  第一层为高阶API，其在中阶API的基础上又提供了训练推理的管理、混合精度训练、调试调优等高级接口，方便用户控制整网的执行流程和实现神经网络的训练推理及调优。例如用户使用Model接口，指定要训练的神经网络模型和相关的训练设置，对神经网络模型进行训练。

• Medium-Level Python API

  第二层为中阶API，其封装了低阶API，提供网络层、优化器、损失函数等模块，用户可通过中阶API灵活构建神经网络和控制执行流程，快速实现模型算法逻辑。例如用户可调用Cell接口构建神经网络模型和计算逻辑，通过使用Loss模块和Optimizer接口为神经网络模型添加损失函数和优化方式，利用Dataset模块对数据进行处理以供模型的训练和推导使用。

• Low-Level Python API

  第三层为低阶API，主要包括张量定义、基础算子、自动微分等模块，用户可使用低阶API轻松实现张量定义和求导计算。例如用户可通过Tensor接口自定义张量，使用ops.composite模块下的GradOperation算子计算函数在指定处的导数。

华为昇腾AI全栈介绍

昇腾计算，是基于昇腾系列处理器构建的全栈AI计算基础设施及应用，包括昇腾Ascend系列芯片、Atlas系列硬件、CANN芯片使能、MindSpore AI框架、ModelArts、MindX应用使能等。

华为Atlas人工智能计算解决方案，是基于昇腾系列AI处理器，通过模块、板卡、小站、服务器、集群等丰富的产品形态，打造面向“端、边、云”的全场景AI基础设施方案，涵盖数据中心解决方案、智能边缘解决方案，覆盖深度学习领域推理和训练全流程。

昇腾AI全栈如下图所示：

下面简单介绍每个模块的作用：

• Atlas系列产品：提供AI训练、推理卡及训练服务器（了解更多）。

• CANN（异构计算架构）：芯片使能、驱动层（了解更多）。

• MindSpore（AI框架）：全场景AI框架（了解更多）。

• MindX SDK（昇腾SDK）：行业SDK和应用解决方案（了解更多）。

• ModelArts（AI开发平台）：华为云AI开发平台（了解更多）。

• MindStudio（全流程开发工具链）：AI全流程开发IDE（了解更多）。

详细信息请点击华为昇腾官网。

参与社区

欢迎每一个开发者都加入到昇思MindSpore的社区中，为全场景AI框架昇思MindSpore添砖加瓦！

• 昇思MindSpore 官网：可以全方位了解昇思MindSpore，包括安装、教程、文档、社区、资源下载和资讯栏目等（了解更多）。

• 昇思MindSpore 代码：

  • MindSpore Gitee：2020年Gitee千万开源项目中Gitee指数TOP1项目，一键三连（Watch/Star/Fork）即可随时跟踪MindSpore最新进展，参与issues讨论、提交代码！

  • MindSpore Github：Gitee的MindSpore代码镜像，习惯用github的开发者可以在这里进行MindSpore的学习，查看最新代码实现！

• 昇思MindSpore 论坛：我们努力地服务好每一个开发者，在昇思MindSpore中，无论是入门开发者还是高手大咖都能找到知音，共同学习，共同成长！（了解更多）