阿里开源！轻量级深度学习端侧推理引擎 MNN

AI科学家贾扬清如此评价道：“与 Tensorflow、Caffe2 等同时覆盖训练和推理的通用框架相比，MNN 更注重在推理时的加速和优化，解决在模型部署的阶段的效率问题，从而在移动端更高效地实现模型背后的业务。这和服务器端 TensorRT 等推理引擎的想法不谋而合。在大规模机器学习应用中，考虑到大规模的模型部署，机器学习的推理侧计算量往往是训练侧计算量的十倍以上，所以推理侧的优化尤其重要。”

MNN背后的技术框架如何设计？未来有哪些规划？今天一起来深入了解。

1、MNN是什么？

MNN 是一个轻量级的深度学习端侧推理引擎，核心解决深度神经网络模型在端侧推理运行问题，涵盖深度神经网络模型的优化、转换和推理。目前，MNN已经在手淘、手猫、优酷、聚划算、UC、飞猪、千牛等 20 多个 App 中使用，覆盖直播、短视频、搜索推荐、商品图像搜索、互动营销、权益发放、安全风控等场景，每天稳定运行上亿次。此外，菜鸟自提柜等 IoT 设备中也有应用。在 2018 年双十一购物节中，MNN 在天猫晚会笑脸红包、扫一扫、明星猜拳大战等场景中使用。

该项目已经在 Github 开源，关注“阿里技术”官方公众号，并在对话框内回复“MNN”，即可获得 Github 下载链接、了解更多详情。

2、MNN的优势

MNN 负责加载网络模型，推理预测返回相关结果，整个推理过程可以分为模型的加载解析、计算图的调度、在异构后端上高效运行。MNN 具有通用性、轻量性、高性能、易用性的特征：

通用性：

支持 Tensorflow、Caffe、ONNX 等主流模型格式，支持 CNN、RNN、GAN 等常用网络；
支持 86 个 TensorflowOp、34 个 CaffeOp ；各计算设备支持的 MNN Op 数：CPU 71 个，Metal 55 个，OpenCL 40 个，Vulkan 35 个；
支持 iOS 8.0+、Android 4.3+ 和具有POSIX接口的嵌入式设备；
支持异构设备混合计算，目前支持 CPU 和 GPU，可以动态导入 GPU Op 插件，替代 CPU Op 的实现；

轻量性：

针对端侧设备特点深度定制和裁剪，无任何依赖，可以方便地部署到移动设备和各种嵌入式设备中；
iOS 平台上，armv7+arm64 静态库大小 5MB 左右，链接生成可执行文件增加大小 620KB 左右，metallib 文件 600KB 左右；
Android 平台上，so 大小 400KB 左右，OpenCL 库 400KB 左右，Vulkan 库 400KB 左右；

高性能：

不依赖任何第三方计算库，依靠大量手写汇编实现核心运算，充分发挥 ARM CPU 的算力；
iOS 设备上可以开启 GPU 加速（Metal），支持iOS 8.0以上版本，常用模型上快于苹果原生的 CoreML；
Android 上提供了 OpenCL、Vulkan、OpenGL 三套方案，尽可能多地满足设备需求，针对主流 GPU（Adreno和Mali）做了深度调优；
卷积、转置卷积算法高效稳定，对于任意形状的卷积均能高效运行，广泛运用了 Winograd 卷积算法，对 3x3 -> 7x7 之类的对称卷积有高效的实现；
针对 ARM v8.2 的新架构额外作了优化，新设备可利用半精度计算的特性进一步提速；

易用性：

完善的文档和实例；
有高效的图像处理模块，覆盖常见的形变、转换等需求，一般情况下，无需额外引入 libyuv 或 opencv 库处理图像；
支持回调机制，方便提取数据或者控制运行走向；
支持运行网络模型中的部分路径，或者指定 CPU 和 GPU 间并行运行；

3、MNN核心介绍

3.1 模块设计

如上图所示，MNN 可以分为 Converter 和 Interpreter 两部分。

Converter 由 Frontends 和 Graph Optimize 构成。前者负责支持不同的训练框架，MNN 当前支持 Tensorflow(Lite)、Caffe 和 ONNX；后者通过算子融合、算子替代、布局调整等方式优化图。

Interpreter 由 Engine 和 Backends 构成。前者负责模型的加载、计算图的调度；后者包含各计算设备下的内存分配、Op 实现。在 Engine 和 Backends 中，MNN应用了多种优化方案，包括在卷积和反卷积中应用 Winograd 算法、在矩阵乘法中应用 Strassen 算法、低精度计算、Neon 优化、手写汇编、多线程优化、内存复用、异构计算等。

3.2 性能比较

采用业务常用的 MobileNet、SqueezeNet 和主流开源框架进行比较，结果如下图：

MNN 相比于 NCNN、Mace、Tensorflow Lite、Caffe2 都有 20% 以上的优势。我们其实更加聚焦在内部使用的业务模型优化上，针对人脸检测等模型进行深入优化，iPhone6 可以达到单帧检测 5ms 左右。

注：Mace、Tensorflow Lite、Caffe2 均使用截止 2019 年 3 月 1 日 GitHub 代码仓库的 master 分支；NCNN 由于编译问题采用 20181228 Release 预编译库。

4、MNN的开源历史

4.1 为什么要做端侧推理？

随着手机算力的不断提升，以及深度学习的快速发展，特别是小网络模型不断成熟，原本在云端执行的推理预测就可以转移到端上来做。端智能即在端侧部署运行 AI 算法，相比服务端智能，端智能具有低延时、兼顾数据隐私、节省云端资源等优势。目前端智能正逐渐变为趋势，从业界来看，它已经在 AI 摄像、视觉特效等场景发挥了巨大价值。

手淘作为电商的超级 App ，业务形态丰富，拍立淘、直播短视频、互动营销、试妆、个性化推荐搜索等业务场景都有端智能诉求，结合端智能能力，可以给用户带来新的交互体验，助力业务创新突破。

一般来说，端侧深度学习的应用可以分成如下几个阶段：

模型训练阶段，主要解决模型训练，利用标注数据训练出对应的模型文件。面向端侧设计模型时，需要考虑模型大小和计算量；
模型压缩阶段，主要优化模型大小，可以通过剪枝、量化等手段降低模型大小，以便在端上使用；
模型部署阶段，主要实现模型部署，包括模型管理和部署、运维监控等；
端侧推理阶段，主要完成模型推理，即加载模型，完成推理相关的所有计算；

由上可知，端侧推理引擎是端智能应用的核心模块，需要在有限算力、有限内存等限制下，高效地利用资源，快速完成推理。可以说，端侧推理引擎实现的优劣，直接决定了算法模型能否在端侧运行，决定了业务能否上线。因此，我们需要一个端侧推理引擎，一个优秀的端侧推理引擎。

4.2 为什么要开源 MNN？

在 2017 年初，我们在开始引擎研发之前，重点调研了系统方案和开源方案，从通用性、轻量性、高性能、安全性等方面深入分。CoreML 是 Apple 的系统框架，MLKit 和 NNAPI 是 Android 的系统框架，系统框架最大的优势是轻量性 —— 在包大小方面相对宽裕。而最大的劣势是通用性，CoreML 需要 iOS 11+，MLKit 和NNAPI 需要 Android 8.1+，可以覆盖的机型非常有限，同时难以支持嵌入式设备的使用场景。此外，系统框架支持的网络类型、Op 类型都较少，可拓展性又较差，还未能充分利用设备的算力，加之存在模型安全方面的问题。综上种种，系统框架不是一个很好的选择。开源方案中 Tensorflow Lite 宣而未发，Caffe 较成熟但不是面向端侧场景设计和开发的，NCNN 则刚刚发布还不够成熟。总的来说，我们找不到一套面向不同训练框架，不同部署环境，简单高效安全的端侧推理引擎。

因此，我们希望提供面向不同业务算法场景，不同训练框架，不同部署环境的简单、高效、安全的端侧推理引擎 MNN 。能够抹平 Android 和 iOS 的差异，碎片设备之间的差异，不同训练框架的差异，实现快速的在端侧部署运行，并且能够根据业务模型进行 OP 灵活添加和 CPU/GPU 等异构设备深入性能优化。

随着时间推移，NCNN、Tensorflow Lite、Mace、Anakin 等逐步升级和开源，给与我们很好的输入和借鉴。我们随着业务需求也在不断迭代和优化，并且经历了双十一考验，已经相对成熟和完善，所以开源给社区，希望给应用和 IoT 开发者贡献我们的力量。

5、应用场景

目前，MNN 已经在手淘、猫客、优酷、聚划算、UC、飞猪、千牛等20+集团App中集成，在拍立淘、直播短视频、互动营销、实人认证、试妆、搜索推荐等场景使用，每天稳定运行上亿次。2018年双十一购物节中，MNN 也在猫晚笑脸红包、扫一扫明星猜拳大战等场景中使用。

拍立淘是在手淘里面的一个图像搜索和识别产品，从14年首次上线经过不断迭代发展目前已经成长为 UV 超过千万的应用。其中的技术也在不断迭代更新，从最早的拍照上传图片云端识别，演进到目前在端上做物体识别和抠图再上传云端识别，有效地提升了用户体验同时节省了服务端计算成本。针对一些简单的物体分类万物识别和 logo 识别，目前也已经支持直接通过端上的模型进行实时识别。