MIT开源高性能主动微分框架Enzyme：速度提升4.5倍

当前，PyTorch、TensorFlow 等机械进修框架已经成为了人们开发的重要对象。计算反向传播、贝叶斯推理、不确定性量化和概率编程等算法的梯度时，我们需要把所有的代码以微分型写入框架内。这对于将机械进修引入新领域带来了问题：在物理模拟、游戏引擎、气候模型中，原领域组件不是由机械进修框架的特定领域言语（DSL）编辑的。因此在将机械进修引入科学计算时，重写需求成为了一个挑战。为了解决这一问题，现在的发展趋势包含构建新的 DSL，让重写过程变得简单，或者在编程时直接进行构建。这些方法可以让我们获得有效的梯度，但是仍然需要利用 DSL 或可微分的编程言语进行重写。开发者们自然会希望利用机械进修框架以外的代码重用已有对象，或在一种言语里写好损失函数，然后为其用例提供更简单的抽象。尽管目前已经出现了一些针对不同言语的反向主动微分框架（AD），但我们很难在 ML 框架外的代码上主动利用它们，因为其仍需要重写，且对于跨言语 AD 和库的支持有限。为了方便开发者，来自 MIT 的研究者开源了 Enzyme，一种用于 LLVM 编译器框架的高性能主动微分（AD）编译器插件。该插件能够分解以 LLVM 中间表示（IR）表示的动态可分析程序的梯度。Enzyme 能够分解任何以面向 LLVM IR 编译器为言语编辑的程序的梯度，包括 C、C ++、Fortran、Julia、Rust、Swift、MLIR 等，从而提供这些言语的本机 AD 功能。据作者介绍，与传统的源到源和 operator-overloading 对象不同，Enzyme 在优化的 IR 上执行 AD。在包括微软 ADBench 在内的以机械进修为重点的基准套件上，经过优化的 IR 上的 AD 的几何平均速度比未经过优化的 IR 上 AD 的几何平均速度提高了 4.5 倍，这使得 Enzyme 达到了最高的性能。此外，Enzyme 方便利用，在 PyTorch 和 TensorFlow 上都有程序包，可让开发者便捷访问具有最新性能的外来代码梯度，从而使外来代码可直接合并到现有的机械进修工作流程中。

项目网页：https://enzyme.mit.edu/

项目地址：https://github.com/wsmoses/Enzyme

作者表示，Enzyme 可提供这些对象和能力：

Enzyme，一种用于 LLVM 的编译器插件，可以分解可动态微分的 LLVM IR 的快速梯度。包括 C、C ++、Fortran、Rust、Swift 等编译器前端生成的中间表示（IR）。

PyTorch-Enzyme/TensorFlow-Enzyme，一个外部功能接口，允许机械进修研究者利用 PyTorch 和 TensorFlow 利用以 LLVM 编译言语编辑的外部代码。

Enzyme.jl，一个 Julia 包，通过动态高级言语编辑的代码，仅利用低层信息获得梯度。

通过链接时优化（LTO）支持了多来源 AD 和动态库支持。

研究表明优化后运行 AD，在标准机械进修基准测试上可获得显著性能提升，并达到 SOTA 水平。

上图为 relu(pow(x,3)) 的梯度分解示例。左侧为 LLVM IR 上的原始计算。左侧注释中展示了将添加到前向传递中的活动变量的影子分配。右侧则是 Enzyme 将生成的反向传递。完整的分解梯度函数将结合利用这些函数（添加影子分配），将 if.end 中的返回替换为 reverse_if.end 的分支。Enzyme 项目概述Enzyme 项目是一个用于可动态分析 LLVM IR 的反向模式主动微分（AD）对象。它允许开发者可以主动创建基于源代码的梯度，而无需更多额外工作。double foo(double);double grad_foo(double x) { return __enzyme_autodiff(foo, x);}通过优化微分后的代码，Enzyme 可以比现有的优化对象提供更快的微分速度：