【昇思25天学习打卡营打卡指南-第一天】基本介绍与快速入门

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、全场景统一部署三大目标。
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)。
• MindSpore 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。
• MindSpore 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。
• MindExpression（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++等第三方前端的对接工作，引入更多的第三方生态。
• MindSpore 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。
• MindCompiler（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）。
• MindRT（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。
• MindSpore 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（了解更多)。
• MindSpore 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（了解更多）。

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、验证过程中相关的基础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

• 支持全场景统一部署
  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AI和科学计算融合编程，使用户聚焦于模型算法的数学原生表达
  在友好支持AI模型训练推理编程的基础上，扩展支持灵活自动微分编程能力，支持对函数、控制流表达情况下的微分求导和各种如正向微分、高阶微分等高级微分能力的支持，用户可基于此实现科学计算常用的微分函数编程表达，从而支持AI和科学计算融合编程开发。

• 分布式训练原生
  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grad接口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：

• 昇腾应用使能：华为各大产品线基于MindSpore提供的AI平台或服务能力
• MindSpore：支持端、边、云独立的和协同的统一训练和推理框架
• CANN：昇腾芯片使能、驱动层（了解更多）。
• 计算资源：昇腾系列化IP、芯片和服务器

快速入门

引入MindSpore库

import mindspore
from mindspore import nn
from mindspore.dataset import vision, transforms
from mindspore.dataset import MnistDataset

处理数据集
MindSpore提供基于Pipeline的数据引擎，通过数据集（Dataset）和数据变换（Transforms）实现高效的数据预处理。在本教程中，我们使用Mnist数据集，自动下载完成后，使用mindspore.dataset提供的数据变换进行预处理。

# Download data from open datasets
from download import download

url = "https://mindspore-website.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com/" \
      "notebook/datasets/MNIST_Data.zip"
path = download(url, "./", kind="zip", replace=True)

获得数据集对象

train_dataset = MnistDataset('MNIST_Data/train')
test_dataset = MnistDataset('MNIST_Data/test')

打印数据集中包含的数据列名，用于dataset的预处理。

print(train_dataset.get_col_names())

运行结果

['image', 'label']

MindSpore的dataset使用数据处理流水线（Data Processing Pipeline），需指定map、batch、shuffle等操作。这里我们使用map对图像数据及标签进行变换处理，然后将处理好的数据集打包为大小为64的batch。

def datapipe(dataset, batch_size):
    image_transforms = [
        vision.Rescale(1.0 / 255.0, 0),
        vision.Normalize(mean=(0.1307,), std=(0.3081,)),
        vision.HWC2CHW()
    ]
    label_transform = transforms.TypeCast(mindspore.int32)

    dataset = dataset.map(image_transforms, 'image')
    dataset = dataset.map(label_transform, 'label')
    dataset = dataset.batch(batch_size)
    return dataset

# Map vision transforms and batch dataset
train_dataset = datapipe(train_dataset, 64)
test_dataset = datapipe(test_dataset, 64)

可使用create_tuple_iterator 或create_dict_iterator对数据集进行迭代访问，查看数据和标签的shape和datatype。
API文档地址
create_tuple_iterator
create_dict_iterator

for image, label in test_dataset.create_tuple_iterator():
    print(f"Shape of image [N, C, H, W]: {image.shape} {image.dtype}")
    print(f"Shape of label: {label.shape} {label.dtype}")
    break

运行结果

Shape of image [N, C, H, W]: (64, 1, 28, 28) Float32
Shape of label: (64,) Int32

for data in test_dataset.create_dict_iterator():
    print(f"Shape of image [N, C, H, W]: {data['image'].shape} {data['image'].dtype}")
    print(f"Shape of label: {data['label'].shape} {data['label'].dtype}")
    break

运行结果

Shape of image [N, C, H, W]: (64, 1, 28, 28) Float32
Shape of label: (64,) Int32

参考文档：
数据集 Dataset
数据变换 Transforms

网络构建

mindspore.nn类是构建所有网络的基类，也是网络的基本单元。当用户需要自定义网络时，可以继承nn.Cell类，并重写__init__方法和construct方法。__init__包含所有网络层的定义，construct中包含数据（Tensor）的变换过程。

# Define model
class Network(nn.Cell):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.flatten = nn.Flatten()
        self.dense_relu_sequential = nn.SequentialCell(
            nn.Dense(28*28, 512),
            nn.ReLU(),
            nn.Dense(512, 512),
            nn.ReLU(),
            nn.Dense(512, 10)
        )

    def construct(self, x):
        x = self.flatten(x)
        logits = self.dense_relu_sequential(x)
        return logits

model = Network()
print(model)

模型训练

在模型训练中，一个完整的训练过程（step）需要实现以下三步：

1. 正向计算：模型预测结果（logits），并与正确标签（label）求预测损失（loss）。
2. 反向传播：利用自动微分机制，自动求模型参数（parameters）对于loss的梯度（gradients）。
3. 参数优化：将梯度更新到参数上。

MindSpore使用函数式自动微分机制，因此针对上述步骤需要实现：

1. 定义正向计算函数。
2. 使用value_and_grad通过函数变换获得梯度计算函数。
3. 定义训练函数，使用set_train设置为训练模式，执行正向计算、反向传播和参数优化。

# Instantiate loss function and optimizer
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = nn.SGD(model.trainable_params(), 1e-2)

# 1. Define forward function
def forward_fn(data, label):
    logits = model(data)
    loss = loss_fn(logits, label)
    return loss, logits

# 2. Get gradient function
grad_fn = mindspore.value_and_grad(forward_fn, None, optimizer.parameters, has_aux=True)

# 3. Define function of one-step training
def train_step(data, label):
    (loss, _), grads = grad_fn(data, label)
    optimizer(grads)
    return loss

def train(model, dataset):
    size = dataset.get_dataset_size()
    model.set_train()
    for batch, (data, label) in enumerate(dataset.create_tuple_iterator()):
        loss = train_step(data, label)

        if batch % 100 == 0:
            loss, current = loss.asnumpy(), batch
            print(f"loss: {loss:>7f}  [{current:>3d}/{size:>3d}]")

除训练外，我们定义测试函数，用来评估模型的性能。

def test(model, dataset, loss_fn):
    num_batches = dataset.get_dataset_size()
    model.set_train(False)
    total, test_loss, correct = 0, 0, 0
    for data, label in dataset.create_tuple_iterator():
        pred = model(data)
        total += len(data)
        test_loss += loss_fn(pred, label).asnumpy()
        correct += (pred.argmax(1) == label).asnumpy().sum()
    test_loss /= num_batches
    correct /= total
    print(f"Test: \n Accuracy: {(100*correct):>0.1f}%, Avg loss: {test_loss:>8f} \n")

训练过程需多次迭代数据集，一次完整的迭代称为一轮（epoch）。在每一轮，遍历训练集进行训练，结束后使用测试集进行预测。打印每一轮的loss值和预测准确率（Accuracy），可以看到loss在不断下降，Accuracy在不断提高。

epochs = 3
for t in range(epochs):
    print(f"Epoch {t+1}\n-------------------------------")
    train(model, train_dataset)
    test(model, test_dataset, loss_fn)
print("Done!")

参考文档:
模型训练

加载模型¶

加载保存的权重分为两步：

1. 重新实例化模型对象，构造模型。
2. 加载模型参数，并将其加载至模型上。

# Instantiate a random initialized model
model = Network()
# Load checkpoint and load parameter to model
param_dict = mindspore.load_checkpoint("model.ckpt")
param_not_load, _ = mindspore.load_param_into_net(model, param_dict)
print(param_not_load)

param_not_load是未被加载的参数列表，为空时代表所有参数均加载成功。

加载后的模型可以直接用于预测推理。

model.set_train(False)
for data, label in test_dataset:
    pred = model(data)
    predicted = pred.argmax(1)
    print(f'Predicted: "{predicted[:10]}", Actual: "{label[:10]}"')
    break

参考文档
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