KeenTune（輕豚）是一款 AI 算法與專家知識庫雙輪驅(qū)動的操作系統(tǒng)全棧式智能優(yōu)化產(chǎn)品，為主流的操作系統(tǒng)提供輕量化、跨平臺的一鍵式性能調(diào)優(yōu)，讓應(yīng)用在智能定制的運行環(huán)境發(fā)揮最優(yōu)性能。自 2021年 9 月正式成立 SIG 并宣布開源以來，受到了廣大開發(fā)者的關(guān)注。KeenTune 的整體開源框架聚焦于通用和靈活的設(shè)計原則，其中對于調(diào)優(yōu)場景的擴展，通過分布式架構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)化的場景配置模式，可以方便的實現(xiàn)對于 Linux 內(nèi)核參數(shù)，應(yīng)用配置參數(shù)，編譯器優(yōu)化參數(shù)，benchmark 配置參數(shù)等調(diào)優(yōu)對象和配套工具的快速適配。

今天， KeenTune 再次帶來開源重磅特性——新增通用的調(diào)優(yōu)算法框架：keenopt。有了 keenopt 的加持，KeenTune 不再僅僅是支持靈活擴展調(diào)優(yōu)場景的調(diào)優(yōu)工具，還成長為了具備靈活擴展調(diào)優(yōu)算法的調(diào)優(yōu)平臺，不僅可以作為性能調(diào)優(yōu)工程師的法寶，也可以成為算法工程師的利器。Keenopt 調(diào)優(yōu)算法框架的開源設(shè)計，同樣旨在方便快捷的擴展學(xué)術(shù)界和工業(yè)界新提出的調(diào)優(yōu)算法，以及結(jié)合實際需要定制化的調(diào)優(yōu)算法。 聰明的童鞋一定會自然問出一個問題：為什么不能只調(diào)用當(dāng)前流行的調(diào)優(yōu)算法庫，而要打造一個算法框架呢？這就要從我們調(diào)優(yōu)過程中趟過的一個一個坑說起了...

坑洼調(diào)優(yōu)路

一提起調(diào)優(yōu)，首先進入讀者腦海的就是近年來愈發(fā)流行的針對機器學(xué)習(xí)模型，尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超參數(shù)的調(diào)優(yōu)算法。這些調(diào)優(yōu)算法從貝葉斯優(yōu)化和遺傳算法出發(fā)，凝聚了豐富多彩的調(diào)優(yōu)思路，已經(jīng)成為提升機器學(xué)習(xí)算法研發(fā)效率的利器。那么這些大多圍繞著機器學(xué)習(xí)模型超參數(shù)優(yōu)化的算法，是不是可以直接應(yīng)用于比如系統(tǒng)軟件配置和參數(shù)調(diào)優(yōu)上來呢？答案是經(jīng)典的 yes and no。 首先，經(jīng)典的貝葉斯優(yōu)化算法（基于高斯代理模型）及其衍生算法（如 TPE），當(dāng)然是可以直接應(yīng)用于系統(tǒng)參數(shù)調(diào)優(yōu)的。但概括來說，這類算法整體的調(diào)優(yōu)效率卻經(jīng)常無法滿足無論是機器學(xué)習(xí)模型超參數(shù)調(diào)優(yōu)還是系統(tǒng)參數(shù)調(diào)優(yōu)。相應(yīng)的，近年來的學(xué)術(shù)創(chuàng)新主要圍繞著進一步提升調(diào)優(yōu)的整體效率展開。也就是在這個層面上，機器學(xué)習(xí)模型超參數(shù)的調(diào)優(yōu)和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)優(yōu)，走上了不同的道路。

對于機器學(xué)習(xí)模型超參數(shù)調(diào)優(yōu)來說，調(diào)優(yōu)的時間開銷主要來自兩個方面： （1）調(diào)優(yōu)算法搜索策略所需要的運算耗時。 （2）機器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練的耗時。 對于近年來逐漸廣為人知的基于高保真原理的優(yōu)化算法，如 Successive Halving[1]，HyperBand[2] 等，主要聚焦于減少第二個方面的時間開銷，畢竟和訓(xùn)練動輒千萬上億級參數(shù)的模型，調(diào)優(yōu)算法搜索策略的開銷簡直不值一提。幸運的事，機器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練的耗時確實是靈活可調(diào)整的。 然而，對于系統(tǒng)參數(shù)調(diào)優(yōu)來說，雖然調(diào)優(yōu)的時間開銷也主要來自兩個方面： （1）調(diào)優(yōu)算法搜索策略所需要的運算耗時。 （2）評估調(diào)優(yōu)推薦參數(shù)配置的耗時。 但是其中（2）的耗時由于往往來自調(diào)用標(biāo)準(zhǔn) benchmark 工具獲得，是固定不可調(diào)整的。具體例子可以設(shè)想一下運行 Fio、SPEC CPU 2017 這類 benchmark 工具的過程。因此，針對系統(tǒng)參數(shù)調(diào)優(yōu)的算法領(lǐng)域，無法通過優(yōu)化（2）的開銷曲線救國，只能老老實實的提升調(diào)優(yōu)算法的搜索策略。到此，我們來到了第二個坑。

參數(shù)調(diào)優(yōu)可謂是“維度災(zāi)難”的一個重災(zāi)區(qū)。基于貝葉斯優(yōu)化框架的調(diào)優(yōu)算法，本質(zhì)上是在一個漆黑的空間中摸索，而隨著維度的增加，這個漆黑的環(huán)境的 volume 急劇增大，摸索的時間成本的增加是不可避免的。對于機器學(xué)習(xí)模型超參數(shù)的調(diào)優(yōu)來說，這個維度往往在十幾到二十幾這個量級，維度的鐵拳仍然比較溫柔。而對于系統(tǒng)參數(shù)調(diào)優(yōu)來說，這個維度往往在幾十到上百甚至過千的量級。在這個量級維度的鐵拳下，經(jīng)典的貝葉斯調(diào)優(yōu)算法及其衍生算法，往往就會被錘成齏粉。以基于高斯代理模型的貝葉斯優(yōu)化算法來說，我們可以比較粗糙的概括這種算法為“散點”法，這并不是說這類算法就是亂槍打鳥，畢竟有強大的貝葉斯原理作為引領(lǐng)，搜索的策略和路徑還是有跡可循的。 然而，當(dāng)維度足夠高的時候，已經(jīng)有相關(guān)研究證明，貝葉斯優(yōu)化算法和隨機搜索算法基本上是一對臥龍鳳雛的存在[3]。因此，近年來 AI 領(lǐng)域頂會的學(xué)術(shù)成果，已經(jīng)開始關(guān)注高維空間中的貝葉斯優(yōu)化問題，由這種“散點”法，逐漸過渡到“局域”法[4,5]。這里“局域”又是我們的一個比較概括的說法，主要原理是在高維空間中，搜索主要被限制在于較小的局部區(qū)域進行，而各個局部區(qū)域本身的取舍依然服從貝葉斯原理。這類“局域”法有效的限制了搜索區(qū)域的 volume，因此往往有更高效的收斂和更好的調(diào)優(yōu)效果。尤其是更好的收斂效果這種特性，對于系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)優(yōu)實踐來說，可謂一定程度上減輕了燃眉之急，因為實際的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)優(yōu)實踐，往往要考慮系統(tǒng)資源開銷和整體時間限制，從而需要在盡可能少的調(diào)優(yōu)輪次中給出最優(yōu)或略低于最優(yōu)的調(diào)優(yōu)結(jié)果。當(dāng)我們欣喜的準(zhǔn)備吸取這些算法進入 KeenTune 去磨刀霍霍的時候，我們來到了第三個坑。 如前所述，當(dāng)前主流的調(diào)優(yōu)算法庫或工具，往往圍繞著機器學(xué)習(xí)模型超參數(shù)調(diào)優(yōu)的場景進行擴展。因此如 Scikit-Optimize (skopt)[6] 和 NNI[7] 這類算法庫，更多的聚焦于支持 Successive Halving 和 HyperBand 這些針對模型訓(xùn)練開銷優(yōu)化的算法，而對于解決高維貝葉斯優(yōu)化問題的算法不夠及時。此外，即使想在這些算法庫中定制化實現(xiàn)這些算法，也依然需要詳細(xì)的研讀這些庫中算法的實現(xiàn)，照貓畫虎的在復(fù)雜的代碼邏輯中前進，這種苦楚只能說懂得都懂。因此，當(dāng)我們拔劍四顧的時候，刀鞘卻阻礙了我們披巾斬棘的身影。至此，讀者已經(jīng)和我們來到了同樣的境地，也看到那臨門一腳的必選項 --打造更靈活通用的調(diào)優(yōu)算法框架。

KeenOpt 的初心

當(dāng)我們談?wù)搮?shù)調(diào)優(yōu)算法框架的時候，我們談?wù)摰氖?:

（1）算法集成和定制化的方便快捷。

（2）算法的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。 圍繞著這兩個設(shè)計初心，我們的算法框架盡可能的將各個主要功能模塊獨立的抽象成類。

（圖3/ KeenOpt框架概圖） 如圖 3 所示，自頂向下的從優(yōu)化總體控制類，衍生出如隨機和網(wǎng)格搜索的經(jīng)典優(yōu)化算法類，和基于貝葉斯優(yōu)化的優(yōu)化算法類。其中優(yōu)化總體控制類，只要求提供 acquire() 和 feedback() 函數(shù)，分別負(fù)責(zé)選取參數(shù)和獲得 benchmark 執(zhí)行的反饋結(jié)果。其中針對貝葉斯優(yōu)化的算法類，又進一步抽象出：

調(diào)優(yōu)控制類：提供貝葉斯優(yōu)化必須依賴的接口參數(shù)。在最基礎(chǔ)的優(yōu)化類中，一定程度上實現(xiàn)了對于貝葉斯優(yōu)化算法接口的標(biāo)準(zhǔn)化，包括參數(shù)空間，歷史數(shù)據(jù)記錄，代理模型，和搜索策略。

參數(shù)空間類：參數(shù)空間可以靈活定義整型，浮點型，類別型的參數(shù)和其取值范圍。由于實際的調(diào)優(yōu)場景中，無可能出現(xiàn)真正意義上的連續(xù)參數(shù)空間，因此每個參數(shù)相應(yīng)的還搭配了可定義的步長。

代理模型類：代理模型的選擇可以根據(jù)具體需要，靈活的選擇經(jīng)典回歸類機器學(xué)習(xí)模型和基于 pytorch 實現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類模型。

搜索策略類：具體的搜索策略可以實現(xiàn)經(jīng)典的貝葉斯優(yōu)化算法，也可以實現(xiàn)如上所述的“局域”搜索策略，整個類只要求實現(xiàn)具體的 search()方法。

下圖 4 中展示了當(dāng)前 KeenOpt 的支持的部分算法(TPE, LA-MCTS-Bo和LA-MCTS-TuRBO) 在 4 中常見的 synthetic 函數(shù)在低維（20）和高維（100）情況下的對比結(jié)果，可見“局域”算法確實比經(jīng)典貝葉斯優(yōu)化算法有更好的優(yōu)化結(jié)果和更高的收斂效率。

（圖4/ KeenOpt支持算法效果對比）

審核編輯：郭婷