建议背诵 | 字节用4大准则教你设计一个拥有CNN的速度，Transformer精度的模型！

本文作者从实际应用的角度重新审视现有的Transformer。它们中的大多数甚至不如基本的ResNets系列高效，并且偏离了现实的部署场景。这可能是由于当前衡量计算效率的标准，例如FLOP或参数是片面的、次优的同时对硬件也不敏感的。因此，本文直接将特定硬件上的TensorRT延迟作为效率指标，提供了更全面的计算能力、内存成本和带宽反馈。在一系列对照实验的基础上，本文得出了TensorRT的4个设计指南，例如Stage-level的Early CNN和Late Transformer，Block-level的Early Transformer和Late CNN。据此，作者提出了一个面向TensorRT的Transformer家族，简称TRT-ViT。大量实验表明，TRT-ViT在各种视觉任务（例如图像分类、目标检测和语义分割）的延迟/准确性权衡方面明显优于现有的 ConvNet和视觉Transformer。例如，在ImageNet-1k top-1 准确率为82.7% 时，TRT-ViT比CSWin快2.7倍，比Twins快2.0倍。在MS-COCO目标检测任务上，TRT-ViT实现了与Twins相当的性能，同时推理速度提高了2.8倍。

1简介

最近，Vision Transformer在图像分类、语义分割和目标检测等各种计算机视觉任务中取得了显著的成功，并取得了明显优于CNN的性能提升。然而，从真实场景的角度来看，CNN仍然主导着视觉架构部署。

当深入挖掘背后的实质性性能改进时现有的Transformer，观察到这些收益是以大量资源开销为代价的。此外，当Transformer部署在资源受限的设备上时，它已成为一个障碍。为了减轻Transformer笨重的计算成本，一系列工作重点开发了高效的Vision Transformer，如Swin Transformer、PVT、Twins、CoAtNet和MobileViT。

尽管上述工作从不同的角度展示了ViT的效率，但关键设计主要由计算效率的间接标准指导，例如FLOP或参数。这种迂回的标准是片面的、次优的，并且偏离了真实场景的部署。事实上，该模型必须应对部署过程中的环境不确定性，这涉及到硬件感知特性，例如内存访问成本和I/O吞吐量。

具体来说，正如许多论文中所述，计算复杂度的间接度量在神经网络架构设计中被广泛使用，FLOPs和参数是近似的，但通常不能真实反映直接度量。真正关心的是速度或延迟。

图 1

在本文中，为了解决这种差异，作者提供了一种观点，将特定硬件上的TensorRT延迟视为直接的效率反馈。TensorRT在实际场景中已成为通用且易于部署的解决方案，有助于提供令人信服的面向硬件的解决方案指导。在这种直接准确的指导下，重新绘制了图1中几种现有竞争模型的准确性和效率权衡图。

如图1所示，Transformer具有性能良好的优势，而CNN则成功地实现了高效率。尽管ResNet在性能上不如竞争对手的Transformers令人印象深刻，但它仍然是准确率-延迟权衡下的最佳架构。

例如，ResNet使用 11.7毫秒（batch size = 8）来达到81.7%的准确率。虽然twins-pcpvt-s 在Imagenet-1k分类中达到了令人印象深刻的准确率，达到83.4%，但实现这一目标需要39.8毫秒。这些观察促使提出一个问题：如何设计一个性能与Transformer一样好、预测与ResNet一样快的模型？

为了回答这个问题，作者系统地探索了CNN和Transformer的混合设计。遵循Stage到Block的分层路线图来研究面向TensorRT的架构。通过广泛的实验，总结了在TensorRT上设计高效网络的4个设计准则：

Stage-Level：在后期Stage使用Transformer Block可以最大化效率和性能；
Stage-Level：由浅入深的Stage模式可以提升性能；
Block-Level：Transformer和BottleNeck混合Block比Transformer效率更高；
Block-Level：先全局后局部的模式有助于弥补性能问题。

基于上述准则设计了一系列面向TensorRT的Transformer（缩写为TRT-ViT），由具有ConvNets和Transformers的混合网络组成。CNN和Transformer在TRT-ViT的Stage和Block位置互补。

此外，提出了各种TRT-ViT Block以将CNN和Transformer组合成一个串行方案，以解耦异构概念并提高信息流的效率。所提出的TRT-ViT在延迟准确度交易方面优于现有的ConvNets和Vision Transformer, 例如，在ImageNet-1k top-1 准确率为 82.7% 时，TRT-ViT比CSWin快2.7倍，比Twins快2.0倍。

更重要的是，TRT-ViT在下游任务上表现出更显着的延迟/准确性权衡增益。如图1所示，TRT-ViT 实现了与Twins相当的性能，而推理速度在MS-COCO目标检测上提高了2.8倍，在ADE20K语义分割任务上提高了4.4倍。在相似的TensorRT延迟下，TRT-ViT在COCO检测上的性能比ResNet高3.2AP（40.4到43.6），在ADE20K分割上比ResNet高6.6%（38.86%到45.4%）。

2TRT-ViT

2.1 基于TensorRT的设计指南

为了研究分析了2个SOTA网络 ResNet 和 ViT 的运行性能。它们在 ImageNet1K 分类任务上都非常准确，并且在业界很流行。虽然只分析了这2个网络，但它们代表了目前的趋势。它们的核心是 BottleNeck Block 和 Transformer Block ，它们也是其他最先进网络的关键组件，例如 ConvNext 和 Swin。

为了更好地说明经验结果，遵循 RepLKNet，使用操作或块的计算密度（以每秒 Tera 浮点操作数，TeraFLOPS 衡量）来量化其在硬件上的效率，描述如下

从图 1(a) 和表 1 可以看出，BottleNeck Block 更高效，具有更高的 TeraFLOPS，而 Transformer Block更强大，在 ImageNet 上具有更好的精度。

在本文中，目标是设计一个实现类似 ResNet 的效率和类似 Transformer 的性能的网络。设计一个混合了 BottleNeck 和 Transformer Block的网络很简单，例如 MobileViT。然而，这些论文要么专注于优化 FLOP，这是衡量效率的间接标准，要么将大量精力放在移动设备上。

表 1

将 Transformer 简单地应用于 CNN 通常会导致性能和速度下降。因此，总结了在 TensorRT 上有效设计高效网络的4个实用准则。

准则1：`Transformer Block`在后期使用可以最大限度地提高效率和性能之间的平衡

人们认为Transformer块比卷积块更强大但效率更低，因为Transformer旨在建立特征之间的全局连接。相比之下，卷积只捕获局部信息。在这里，提供了配备TensorRT的详细分析。如图1所示，堆叠Transformer块（PVT-Medium）在ImageNet1K分类任务上的 Top-1 准确率为 81.2%，而BottleNeck块（ResNet50）的相应准确率仅为 79.0%。然而，如表1所示，在效率方面，BottleNeck模块在各种输入分辨率下的TeraFLOPS始终优于Transformer 模块。

此外，当输入分辨率降低时，Transformer和BottleNeck之间的效率差距会缩小。具体来说，当输入分辨率为56×56时，Transformer的TeraFLOPS 值只有81，不到BottleNeck的TeraFLOPS值378的4分之1。但是，当分辨率降低到7×7时，Transformer的TeraFLOPS值几乎等于BottleNeck，分别为599和670。这一观察促使在TensorRT上设计高效网络时将Transformer模块置于后期阶段以平衡性能和效率。CoATNet也遵循类似的规则并提出混合了Transformer和CNN 模块的网络。

遵循准则1，原生解决方案是在后期将BottleNeck块替换为Transformer块，在表 1 中称为 MixNetV（MixNet Valilla）。可以看到MixNetV比ViT更快，比ResNet更准确。

准则2：从浅到深的Stage模式可以提高性能

作者研究了各种 SOTA 网络（例如 RestNet 和 ViT）中 TeraParams 的属性，并在表 1 中展示了发现。BottleNeck 的 TeraParams 在后期变得更加突出，这表明在后期堆叠更多的 BottleNeck 块将与早期相比，模型容量更大。

在 ViT 的 Transformer 块中也可以找到类似的趋势。这一观察启发使早期阶段更浅，晚期阶段更深。假设这种由浅入深的阶段模式将带来更多参数，提高模型容量并在不降低效率的情况下获得更好的性能。

为了验证这一点，对ResNet50进行了相应的修改，并提供了表2中的经验结果。将第1阶段和第2阶段的Stage深度分别从3、4减少到2、3，同时增加最后阶段的Stage深度从3到5。从表2中可以看到Refined-ResNet50在ImageNet1K上的Top-1准确率比ResNet50高0.3%，同时在TensorRT上稍快。此外，将这种由浅入深的阶段模式应用到PvT-Small上，得到Refined-PvT-Small，更好更快。最后，在MixNetV上也可以得出类似的结论，这并不奇怪。

准则3：`BottleNeck Block`和`Transformer Block`混合使用比`Transformer`更有效

虽然按照准则 1 和 2 取得了显着的改进，但Refined-MixNetV在效率上无法达到ResNet的效率。为此，设计一个利用Transformer和BottleNeck两者的优点的混合模块。

在图3(a)和(b)中提供了2个混合块，其中首先使用1×1 Conv层来投影输入通道的数量，最后使用Concat层来合并全局和局部特征。引入收缩率R来控制Transformer块在混合块中的比例，定义为Transformer块的输出通道除以混合块的输出通道C_{out} 。如图3(a)所示，在MixBlockA中，创建了2个分支，一个用于Transformer，另一个用于BottleNeck。

图 3

此外，通道拆分层用于进一步提高效率，其中Transformer块的输出通道为C_{out}×R ，而对应的通道为C_{out}×(1-R) 。在MixBlockB中，Transformer块和BottleNeck块是顺序堆叠的，Transformer块和BottleNeck块的输出通道相等，即此处R=0.5。从表1可以看出，与Transformer块相比，2个混合块的TeraFLOPS都显着增加，这表明混合块比Transformer块更有效。而且，它们对应的TeraParams也更好，这表明它们具有实现更好性能的潜力。

用MixBlockA和MixBlockB替换MixNetV中的Transformer块，构建了MixNetA和MixNetB。如表3所示，其中C、T和M分别表示Convolution、Transformer和MixBlock，可以看到MixNetA和MixNetB都优于ResNet50。但是，在准确性方面，它们都无法击败MixNetV。此外，PVT-Medium和2种混合网络之间的性能差距也不容忽视。

准则4：`Global-then-Local Block`有助于弥补性能问题

正如许多论文中所描述的，感受野通常很大的Transformer从输入特征中提取全局信息，并在每个条目内实现信息交换。相比之下，卷积的小感受野只挖掘局部信息。首先获取全局信息并在局部进行提炼，而不是先提取局部信息并在全局范围内提炼更有意义。此外，MixBlockB中的收缩率R必须为0.5，失去了进一步调整的灵活性。global-then-local块模式解决了这个问题，其中R可以是0到1之间的任何值。

按照这个准则，在MixBlockB中转换Transformer操作和Convolution操作的顺序，得到MixBlockC，如图3(c)所示。MixBlockC的TeraFLOPS分数与MixBlockB相当。然后，用MixBlockC代替MixBlockB，得到MixNetC。与直觉一致，如表3所示，MixNetC的性能优于MixNetB，而不会牺牲任何效率。此外，MixNetC在准确性和TRT延迟方面都超过了MixNetV。

此外，MixNetC和PVT-Medium之间的差距得到了弥补，MixNetC实现了类似ResNet的效率和类似Transformer的性能。

2.2 TRT-ViT: An Efficient Network on TensorRT

按照ResNet的基本配置构建了TRT-ViT 架构，其中采用特征金字塔结构，特征图的分辨率随着网络深度而降低，而通道数增加。

接下来，应用提出的设计准则来构建TRT-ViT。整个架构分为5个阶段，后期Stage只使用MixBlockC，而卷积层用于早期Stage。此外，使用了由浅入深的Stage模式，与ResNet中的Stage模式相比，早期Stage更浅，后期Stage更深。

表4

为了与其他SOTA网络进行公平比较，提出了4种变体，TRT-ViT-A/B/C/D，其配置列于表4。3×3表示卷积核大小=3，C表示一个阶段的输出通道。R、S、K是所提出的MixBlockC中的内部参数，其中S代表Transformer Block中的空间缩减率，K表示MixBlockC中BottleNeck的kernel-size大小，R 表示收缩率。

为简单起见，设置R=0.5。TRT-ViT-A/B/C/D的Stage深度分别为2-4-5-4、3-4-7-4、3-4-9-6、4-5-9-5。对于所有变体，在最后阶段使用MixBlockC，即stage5。

对于更大的型号，TRT-ViT-C/D，另外在stage4使用2个MixBlcokC。另外，每个MLP层的扩展率设置为3，Transformer中的head dim设置为32。对于标准化和激活函数，BottleNeck块使用BatchNorm和ReLU，Transformer块使用LayerNorm和GeLU。