XNNPACK

XNNPACK 是一个高度优化的解决方案，用于在 ARM、x86、WebAssembly 和 RISC-V 平台上进行神经网络推理。XNNPACK 并非直接面向深度学习实践者和研究人员使用；相反，它为加速高级机器学习框架（如 TensorFlow Lite、TensorFlow.js、PyTorch、ONNX Runtime 和 MediaPipe）提供了底层性能原语。

支持的架构

Android、iOS、macOS、Linux 和 Windows 上的 ARM64
Android 上的 ARMv7（带 NEON）
Linux 上的 ARMv6（带 VFPv2）
Windows、Linux、macOS、Android 和 iOS 模拟器上的 x86 和 x86-64（最高支持 AVX512）
WebAssembly MVP
WebAssembly SIMD
WebAssembly 宽松 SIMD（实验性）
RISC-V（RV32GC 和 RV64GC）

算子覆盖范围

XNNPACK 实现了以下神经网络算子：

2D 卷积（包括分组卷积和深度卷积）
2D 反卷积（又称转置卷积）
2D 平均池化
2D 最大池化
2D ArgMax 池化（最大池化 + 索引）
2D 反池化
2D 双线性调整大小
2D 深度到空间（又称像素重排）
加法（包括广播，仅限两个输入）
减法（包括广播）
除法（包括广播）
最大值（包括广播）
最小值（包括广播）
乘法（包括广播）
平方差（包括广播）
全局平均池化
通道重排
全连接
绝对值
银行家舍入（四舍六入五成双）
向上取整
钳位（包括 ReLU 和 ReLU6）
转换（包括定点和半精度量化与反量化）
复制
ELU
向下取整
HardSwish
Leaky ReLU
取反
Sigmoid
Softmax
平方
Tanh
转置
截断（向零取整）
PReLU

XNNPACK 中的所有算子都支持 NHWC 布局，但还允许沿着通道维度自定义步长。因此，算子可以消耗输入张量中的一部分通道，并在输出张量中生成一部分通道，从而提供零成本的通道分割和通道连接操作。

性能

手机

下表展示了 XNNPACK 库在三代 MobileNet 模型和三代 Pixel 手机上的单线程性能。

模型	Pixel, ms	Pixel 2, ms	Pixel 3a, ms
FP32 MobileNet v1 1.0X	82	86	88
FP32 MobileNet v2 1.0X	49	53	55
FP32 MobileNet v3 Large	39	42	44
FP32 MobileNet v3 Small	12	14	14

下表展示了 XNNPACK 库在三代 MobileNet 模型和三代 Pixel 手机上的多线程（使用与大核心数量相同的线程数）性能。

模型	Pixel, ms	Pixel 2, ms	Pixel 3a, ms
FP32 MobileNet v1 1.0X	43	27	46
FP32 MobileNet v2 1.0X	26	18	28
FP32 MobileNet v3 Large	22	16	24
FP32 MobileNet v3 Small	7	6	8

基准测试于 2020 年 3 月 27 日进行，使用 end2end_bench --benchmark_min_time=5 在 Android/ARM64 构建上运行，使用 Android NDK r21（bazel build -c opt --config android_arm64 :end2end_bench）和随机权重和输入的神经网络模型。

树莓派

下表展示了 XNNPACK 库在三代 MobileNet 模型和三代树莓派板上的多线程性能。

模型	树莓派 Zero W (BCM2835)，毫秒	树莓派 2 (BCM2836)，毫秒	树莓派 3+ (BCM2837B0)，毫秒	树莓派 4 (BCM2711)，毫秒	树莓派 4 (BCM2711, ARM64)，毫秒
FP32 MobileNet v1 1.0X	3919	302	114	72	77
FP32 MobileNet v2 1.0X	1987	191	79	41	46
FP32 MobileNet v3 Large	1658	161	67	38	40
FP32 MobileNet v3 Small	474	50	22	13	15
INT8 MobileNet v1 1.0X	2589	128	46	29	24
INT8 MobileNet v2 1.0X	1495	82	30	20	17

基准测试于2022年2月8日进行，使用 end2end-bench --benchmark_min_time=5 在 Raspbian Buster 构建上运行，该构建使用 CMake（./scripts/build-local.sh）编译，并使用随机权重和输入的神经网络模型。INT8 推理是基于每通道量化方案评估的。

最低构建要求

C11
C++14
Python 3

出版物

Marat Dukhan "间接卷积算法"。在 2019年高效深度学习计算机视觉（ECV）研讨会上展示（幻灯片，ArXiv 论文）。
Erich Elsen, Marat Dukhan, Trevor Gale, Karen Simonyan "快速稀疏卷积网络"。 ArXiv 论文，预训练稀疏模型。
Marat Dukhan, Artsiom Ablavatski "两阶段 Softmax 算法"。 ArXiv 论文。
Yury Pisarchyk, Juhyun Lee "深度神经网络推理的高效内存管理"。 ArXiv 论文。

生态系统

机器学习框架

致谢

XNNPACK 基于 QNNPACK 库。随着时间的推移，其代码库发生了很大的变化，XNNPACK API 不再与 QNNPACK 兼容。