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字幕校对:米哈游天下第一
2
00:00:04,900 --> 00:00:07,680
哈喽大家好,欢迎来到ZOMI的课堂
3
00:00:07,680 --> 00:00:12,240
那这一节主要是跟大家一起去分享AI框架的编程范式
4
00:00:12,240 --> 00:00:16,080
这也是作为AI框架基础的最后一节内容里面
5
00:00:16,080 --> 00:00:22,080
这么早就开完饭,你数什么呢?
6
00:00:22,080 --> 00:00:24,520
那聊到AI编程范式
7
00:00:24,520 --> 00:00:28,560
其实一开始我也是不知道AI的编程范式
8
00:00:28,560 --> 00:00:32,000
声明式编程和命令式编程到底有什么区别
9
00:00:32,000 --> 00:00:35,080
作为一个算法工程师或者程序员
10
00:00:35,080 --> 00:00:39,760
其实一开始我对编程范式的理解并不是非常深入
11
00:00:39,760 --> 00:00:43,400
最多就是知道在C++编写代码的时候
12
00:00:43,400 --> 00:00:46,840
可能会使用面向对象的这种编程范式
13
00:00:46,840 --> 00:00:50,960
现在来看看编程范式维基百科的一个解释
14
00:00:50,960 --> 00:00:53,200
其实我也不是很懂刚查的
15
00:00:53,200 --> 00:00:56,400
编程范式英文叫做Programming
16
00:00:56,720 --> 00:01:01,840
这个英文是Programming Paradigm
17
00:01:01,840 --> 00:01:05,800
是指软件工程的一类典型编程风格
18
00:01:05,800 --> 00:01:07,520
哎,这有点意思
19
00:01:07,520 --> 00:01:09,480
就是典型的编程风格
20
00:01:13,200 --> 00:01:15,480
面向AI或者深度学习
21
00:01:15,480 --> 00:01:18,080
其实有两种编程风格
22
00:01:18,080 --> 00:01:19,920
第一种是声明式编程
23
00:01:19,920 --> 00:01:22,040
第二种是命令式编程
24
00:01:22,040 --> 00:01:23,600
在今天的课程里面
25
00:01:23,600 --> 00:01:25,880
我希望跟大家一起去学习
26
00:01:25,880 --> 00:01:27,760
什么是声明式编程
27
00:01:27,760 --> 00:01:30,320
什么是命令式的编程风格
28
00:01:30,320 --> 00:01:34,480
现在来看看最简单的或者最原始的
29
00:01:34,480 --> 00:01:37,360
也在上一节课里面去提到的
30
00:01:37,360 --> 00:01:39,240
假设我现在从Numpy
31
00:01:39,240 --> 00:01:41,800
就是直接用Python的一个最基础的库
32
00:01:41,800 --> 00:01:45,160
去实现一个简单的先乘后加
33
00:01:45,160 --> 00:01:47,840
然后再求和的一个简单的操作
34
00:01:47,840 --> 00:01:50,440
也就是作为一个最原始的神经元
35
00:01:50,560 --> 00:01:53,800
那这个时候我做了一些简单的计算之后
36
00:01:53,800 --> 00:01:56,720
现在我需要反向的去更新我的梯度
37
00:01:56,720 --> 00:01:58,640
那更新梯度的方式
38
00:01:58,640 --> 00:02:01,760
也是比较简单粗暴的直接写下来了
39
00:02:01,760 --> 00:02:04,760
这是最原始的AI的编程方法
40
00:02:06,040 --> 00:02:08,640
后来有了AI框架PyTorch之后
41
00:02:08,640 --> 00:02:09,840
首先第一步
42
00:02:09,840 --> 00:02:11,480
需要去声明
43
00:02:11,480 --> 00:02:14,400
现在我有几个张量XYZ
44
00:02:14,400 --> 00:02:17,280
那接着我对这些张量进行计算
45
00:02:17,280 --> 00:02:20,240
所以我X乘以Y,A加上Z
46
00:02:20,280 --> 00:02:21,640
这么一个过程
47
00:02:21,640 --> 00:02:23,840
就看到右边的这个图
48
00:02:23,840 --> 00:02:25,120
这个动态的图
49
00:02:25,120 --> 00:02:27,200
把刚才的XYZ
50
00:02:27,200 --> 00:02:30,920
然后通过一个计算图进行表达起来
51
00:02:30,920 --> 00:02:32,640
那既然是AI框架
52
00:02:32,640 --> 00:02:35,200
它肯定要帮做一些反向
53
00:02:35,200 --> 00:02:37,240
或者在上一个系列里面
54
00:02:37,240 --> 00:02:39,440
去讲到的自动微分的操作
55
00:02:39,440 --> 00:02:41,440
那有了这个backward
56
00:02:41,440 --> 00:02:45,000
然后去试着retain_graph=True的时候
57
00:02:45,000 --> 00:02:48,520
就会自动的帮去构建反向的图
58
00:02:48,520 --> 00:02:50,360
再看一次动画
59
00:02:50,360 --> 00:02:53,880
就会自动的帮把反向的图构建起来
60
00:02:53,880 --> 00:02:56,880
那这个就是AI框架编程
61
00:02:56,880 --> 00:03:00,280
最基本或者最典型的一种方式
62
00:03:00,280 --> 00:03:03,120
有了这种新的编程方式之后
63
00:03:03,120 --> 00:03:05,800
后来AI框架慢慢的去演变
64
00:03:05,800 --> 00:03:08,920
然后形成了一个比较系统的一个图
65
00:03:08,920 --> 00:03:10,080
那右边的这个图
66
00:03:10,080 --> 00:03:13,000
就是上一节展开的粉粉绿绿的图
67
00:03:13,000 --> 00:03:15,040
只是上一节里面做了一个分层
68
00:03:15,040 --> 00:03:17,320
这里面就没有做太多的分层
69
00:03:17,320 --> 00:03:21,360
而是从上到下看一下整个AI系统或者AI框架
70
00:03:21,360 --> 00:03:25,280
怎么做编程风格或者编程代码之间的一个区分
71
00:03:25,280 --> 00:03:29,200
现在最明显的就是区分前端和后端
72
00:03:29,200 --> 00:03:32,080
那可能统一表是优化层
73
00:03:32,080 --> 00:03:33,680
运行时底层库
74
00:03:33,680 --> 00:03:37,280
这些都作为一个整体的后端去看待
75
00:03:37,280 --> 00:03:40,880
这也是公司或者我跟其他同事
76
00:03:40,880 --> 00:03:42,440
在交流的过程当中
77
00:03:42,440 --> 00:03:44,640
大家都比较认可的一种方式
78
00:03:44,680 --> 00:03:47,280
前端就会一些高层次的语言
79
00:03:47,280 --> 00:03:49,000
例如python作为前端
80
00:03:49,000 --> 00:03:50,920
那可能有一些会使用lua
81
00:03:50,920 --> 00:03:53,480
还有R还有C++或者Javascript
82
00:03:53,480 --> 00:03:55,280
作为前端语言
83
00:03:55,280 --> 00:03:58,040
这个就是对上的API层
84
00:03:58,040 --> 00:04:01,240
那后端就会提供一些底层的编程模型
85
00:04:01,240 --> 00:04:02,760
编程语言的开发
86
00:04:02,760 --> 00:04:06,280
后端可能还会提供一些高性能可复用的模块
87
00:04:06,280 --> 00:04:11,320
或者通过前端的方式去驱动后端怎么去执行
88
00:04:11,320 --> 00:04:14,080
也就是说我前端的表达
89
00:04:14,080 --> 00:04:16,600
其实跟我的后端是相关的
90
00:04:16,600 --> 00:04:20,880
而不是说前端的表达跟后端是完全解耦的
91
00:04:20,880 --> 00:04:23,880
这里面有一个叫做统一表示
92
00:04:23,880 --> 00:04:26,000
在第二代神经网络里面
93
00:04:26,000 --> 00:04:29,280
可能更多的去使用计算图或者数据流图
94
00:04:29,280 --> 00:04:30,920
作为统一的表示
95
00:04:30,920 --> 00:04:34,360
既然有了这个计算图进行统一表示
96
00:04:34,360 --> 00:04:37,720
肯定前端要适配好这个统一的表示
97
00:04:37,720 --> 00:04:39,280
后端下面的优化
98
00:04:39,280 --> 00:04:42,160
也需要根据我的计算图进行优化
99
00:04:42,160 --> 00:04:45,280
所以整个编程的风格编程的范式
100
00:04:45,280 --> 00:04:47,760
不仅仅是指前端的代码
101
00:04:47,760 --> 00:04:50,200
或者前端的高层语言的表示
102
00:04:50,200 --> 00:04:52,760
更多的是指整个AI框架
103
00:04:52,760 --> 00:04:54,000
我的设计理念
104
00:04:54,000 --> 00:04:55,280
我的架构理念
105
00:04:57,040 --> 00:05:01,240
下面以PyTorch和TensorFlow两个框架为例
106
00:05:01,240 --> 00:05:05,600
看一下什么是命令式编程和声明式编程
107
00:05:05,600 --> 00:05:07,360
两种不同的编程方式
108
00:05:08,200 --> 00:05:09,960
PyTorch最特别的一点
109
00:05:10,000 --> 00:05:13,240
就是使用动态图去表示它的神经网络
110
00:05:13,240 --> 00:05:16,920
然后使得整个框架的应用性非常好
111
00:05:16,920 --> 00:05:18,720
但是我个人认为
112
00:05:18,720 --> 00:05:21,400
其实并不完全是因为动态图
113
00:05:21,400 --> 00:05:25,080
导致它的AI框架的应用性特别高
114
00:05:25,080 --> 00:05:28,560
更多的是因为它的命令式编程的方式
115
00:05:28,560 --> 00:05:31,440
导致它的AI框架的应用性特别高
116
00:05:31,440 --> 00:05:33,480
来看一看了命令式编程
117
00:05:33,480 --> 00:05:34,640
它的英文又叫做
118
00:05:34,640 --> 00:05:36,920
Imperative Programming
119
00:05:36,920 --> 00:05:37,920
那在英文里面
120
00:05:37,920 --> 00:05:39,320
还有另外一种表述
121
00:05:39,320 --> 00:05:41,120
叫做define-by-run
122
00:05:41,120 --> 00:05:44,120
也就是程序定义完之后就去执行了
123
00:05:44,120 --> 00:05:46,040
那这种执行方式
124
00:05:46,040 --> 00:05:48,480
在AI框架的一个架构图里面
125
00:05:48,480 --> 00:05:49,800
是比较直接的
126
00:05:49,800 --> 00:05:53,080
也就是我前端通过前端的一些语言
127
00:05:53,080 --> 00:05:55,320
高级语言去表示完之后
128
00:05:55,320 --> 00:05:58,040
然后会把它变成一个计算图
129
00:05:58,040 --> 00:05:59,800
这是一个概念上的计算图
130
00:05:59,800 --> 00:06:02,160
而不是真正意义上的计算图
131
00:06:02,160 --> 00:06:05,440
然后程序就会做一些自动微分
132
00:06:05,440 --> 00:06:07,720
如果选择了自动微分auto grad
133
00:06:07,720 --> 00:06:09,400
那就可能会做自动微分
134
00:06:09,400 --> 00:06:10,240
那如果没选
135
00:06:10,240 --> 00:06:12,680
可能自动微分这一层都没掉了
136
00:06:12,680 --> 00:06:15,360
然后就去直接根据代码
137
00:06:15,360 --> 00:06:17,840
进行一个调度和执行
138
00:06:17,840 --> 00:06:18,680
就是这么简单
139
00:06:18,680 --> 00:06:20,560
就从上面直接下来了
140
00:06:20,560 --> 00:06:22,880
所以会用前端的语言
141
00:06:22,880 --> 00:06:25,760
直接去驱动后端的算子执行
142
00:06:25,760 --> 00:06:27,080
非常直接
143
00:06:27,080 --> 00:06:29,160
我定义了一个乘号
144
00:06:29,160 --> 00:06:29,760
在这里面
145
00:06:29,760 --> 00:06:32,400
我定义了一个a = x * y
146
00:06:32,400 --> 00:06:34,440
b = a + z之后
147
00:06:34,440 --> 00:06:36,960
程序把这个图定义下来
148
00:06:36,960 --> 00:06:38,800
变成一个计算图之后
149
00:06:38,800 --> 00:06:42,000
也是根据我a = x * y
150
00:06:42,000 --> 00:06:43,680
先执行完这个计算
151
00:06:43,680 --> 00:06:45,600
然后再执行这个计算
152
00:06:45,600 --> 00:06:49,480
直接是define-by-run的这种方式去执行的
153
00:06:49,480 --> 00:06:52,920
那它的一个特点就是非常方便
154
00:06:52,920 --> 00:06:55,320
我调试灵活度很高
155
00:06:55,320 --> 00:06:58,400
那缺点就是缺乏对算法的统一描述
156
00:06:58,400 --> 00:07:01,280
还有缺乏编译期间的优化
157
00:07:01,280 --> 00:07:03,520
那优点其实都很清楚了
158
00:07:03,520 --> 00:07:05,600
来聊聊缺点
159
00:07:05,600 --> 00:07:08,520
其实现在设计Mindspore的时候
160
00:07:08,520 --> 00:07:12,120
也会考虑到很多这方面的因素和原因
161
00:07:12,120 --> 00:07:15,880
首先动态图确实应用性很高
162
00:07:15,880 --> 00:07:18,480
但是如果要做高阶微分的时候
163
00:07:18,480 --> 00:07:20,960
如果没有了一个统一的表示
164
00:07:20,960 --> 00:07:22,840
对算法的统一表示
165
00:07:22,840 --> 00:07:24,200
虽然在PyTorch里面
166
00:07:24,200 --> 00:07:26,760
虽然说是说使用了一个计算图
167
00:07:26,760 --> 00:07:28,960
或者完整表示的一个图
168
00:07:28,960 --> 00:07:31,760
而是一个虚拟的统一表示的图
169
00:07:31,760 --> 00:07:34,160
这个图只是一个简单的概念
170
00:07:34,160 --> 00:07:37,160
在后面在真正的调度和执行的时候
171
00:07:37,160 --> 00:07:40,520
还是跟前端的语言相绑定的
172
00:07:40,520 --> 00:07:41,960
也就是刚才说的
173
00:07:41,960 --> 00:07:44,000
我定义完了一个语言之后
174
00:07:44,000 --> 00:07:46,200
我定义完一行代码程序之后
175
00:07:46,200 --> 00:07:48,280
我后面就会进行一个执行
176
00:07:48,280 --> 00:07:49,640
只是为了方便理解
177
00:07:49,640 --> 00:07:52,960
可能把它变成一个统一的表示的计算图
178
00:07:54,040 --> 00:07:57,040
那第二个刚才看到前面一个图
179
00:07:57,040 --> 00:07:59,440
其实有很多关于运行时的
180
00:07:59,440 --> 00:08:01,320
还有优化层的一些内容
181
00:08:01,320 --> 00:08:04,040
那个内核代码的优化和编译
182
00:08:04,160 --> 00:08:07,040
但是实际上到了PyTorch里面
183
00:08:07,040 --> 00:08:09,400
刚才的那些层数都没有了
184
00:08:09,400 --> 00:08:11,600
也就是缺乏编译器的优化
185
00:08:11,600 --> 00:08:12,480
编译的优化
186
00:08:12,600 --> 00:08:15,280
是对统一表示进行优化的
187
00:08:15,280 --> 00:08:16,480
因为计算机里面
188
00:08:16,480 --> 00:08:18,360
其实要做IR
189
00:08:18,360 --> 00:08:19,520
这个就是统一表示
190
00:08:19,520 --> 00:08:21,640
就是编译器的其中一个概念
191
00:08:21,640 --> 00:08:23,720
叫做IR中间表示
192
00:08:23,720 --> 00:08:25,920
那缺乏了编译器的统一的优化
193
00:08:25,920 --> 00:08:27,320
就会导致我的性能
194
00:08:27,320 --> 00:08:29,400
可能并不是非常友好
195
00:08:29,400 --> 00:08:31,680
所以面对于可能在更多
196
00:08:31,680 --> 00:08:33,600
设备上的去执行的时候
197
00:08:33,640 --> 00:08:36,240
PyTorch的性能并不是很高
198
00:08:36,240 --> 00:08:39,320
现在在很多推理部署平台
199
00:08:39,320 --> 00:08:41,400
都会有自己的一个框架
200
00:08:41,400 --> 00:08:43,000
或者我在推理部署的时候
201
00:08:43,320 --> 00:08:45,000
会把PyTorch的代码
202
00:08:45,000 --> 00:08:46,760
转成ONNX的代码
203
00:08:46,760 --> 00:08:49,920
然后ONNX在对接其他硬件平台
204
00:08:49,920 --> 00:08:51,840
这个就是动态图
205
00:08:51,840 --> 00:08:53,440
或者命令式编程
206
00:08:53,440 --> 00:08:56,160
PyTorch它带来的一些缺点
207
00:08:57,640 --> 00:09:00,680
下面来看看声明式编程
208
00:09:00,680 --> 00:09:02,200
声明式编程的英文
209
00:09:02,400 --> 00:09:05,120
叫做Declarative programming
210
00:09:05,120 --> 00:09:07,320
然后它的另外一种说法
211
00:09:07,320 --> 00:09:09,080
就是defined-and-run
212
00:09:09,080 --> 00:09:11,680
然后最出名的代表就是TensorFlow
213
00:09:11,680 --> 00:09:15,200
是基于一个完全的静态图去执行的
214
00:09:15,200 --> 00:09:16,400
静态图去执行
215
00:09:16,400 --> 00:09:18,800
就非常依赖于统一表示
216
00:09:18,800 --> 00:09:21,520
就是神经网络的中间表达计算图
217
00:09:21,520 --> 00:09:23,920
这一层前端跟后端
218
00:09:23,920 --> 00:09:24,800
不像PyTorch
219
00:09:24,800 --> 00:09:28,040
它们中间其实是耦合性是非常高的
220
00:09:28,040 --> 00:09:30,400
那PyTorch这种声明式编程
221
00:09:30,400 --> 00:09:31,760
或者静态图
222
00:09:31,760 --> 00:09:33,680
它的解耦程度是比较高的
223
00:09:33,680 --> 00:09:37,360
就是前端跟后端不完全依赖和绑定
224
00:09:37,360 --> 00:09:39,960
后端更多的是根据计算图
225
00:09:39,960 --> 00:09:42,080
进行一个优化和调度执行
226
00:09:42,080 --> 00:09:45,200
那前端可能更多的是对计算图
227
00:09:45,200 --> 00:09:46,880
进行一些表示
228
00:09:46,880 --> 00:09:48,760
定义了计算图之后
229
00:09:48,760 --> 00:09:50,360
再定义我的前端
230
00:09:50,360 --> 00:09:52,480
所以用户学TensorFlow的时候
231
00:09:52,480 --> 00:09:55,080
就会觉得为什么它这么难学
232
00:09:55,080 --> 00:09:58,320
为什么要学那么多额外的Python的知识
233
00:09:58,320 --> 00:10:00,560
这个就是它的一个问题了
234
00:10:00,560 --> 00:10:01,760
那在执行方面
235
00:10:01,760 --> 00:10:04,760
就是前端的语言表达不直接执行
236
00:10:04,760 --> 00:10:06,200
刚才编程式风格的
237
00:10:06,200 --> 00:10:07,680
就是我定义完前端之后
238
00:10:07,680 --> 00:10:08,920
后端直接执行
239
00:10:08,920 --> 00:10:10,640
现在不直接执行
240
00:10:10,640 --> 00:10:13,120
而是通过一个IR去表示
241
00:10:13,120 --> 00:10:15,200
就是统一的计算去表示
242
00:10:15,200 --> 00:10:17,240
那对数据流图进行优化
243
00:10:17,240 --> 00:10:20,000
在执行也就是刚才比PyTorch
244
00:10:20,000 --> 00:10:22,200
多了很多一个计算图的优化
245
00:10:22,200 --> 00:10:23,080
内存的管理
246
00:10:23,080 --> 00:10:24,840
计算图的调度和执行
247
00:10:24,840 --> 00:10:27,160
还有类和代码的优化和编译
248
00:10:27,160 --> 00:10:29,320
还有子表达式的一些优化
249
00:10:30,320 --> 00:10:31,840
内容的多了非常多
250
00:10:31,960 --> 00:10:34,000
可能又多了中间好几层