使用 PAI-Blade 优化 Stable Diffusion 推理流程(二)-Toy模板网

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背景

上一篇中，我们使用了 PAI-Blade 优化了 diffusers 中 Stable Diffusion 模型。本篇，我们继续介绍使用 PAI-Blade 优化 LoRA 和 Controlnet 的推理流程。相关优化已经同样在 registry.cn-beijing.aliyuncs.com/blade_demo/blade_diffusion镜像中可以直接使用。同时，我们将介绍 Stable-Diffusion-webui 中集成 PAI-Blade 优化的方法。

LoRA优化

PAI-Blade优化LoRA的方式，与前文方法基本相同。包括：加载模型、优化模型、替换原始模型。以下仅介绍与前文不同的部分。

首先，加载Stable DIffusion模型后，需要加载LoRA权重。

pipe.unet.load_attn_procs("lora/")

使用LoRA时，用户可能需要切换不同的LoRA权重，尝试不同的风格。因此，PAI-Blade需要在优化配置中，传入freeze_module=False，使得优化过程中，不对权重进行编译优化，从而不影响模型加载权重的功能。通过这种方式，PAI-Blade优化后的模型，依然可以使用pipe.unet.load_attn_procs()方式加载LoRA的权重，而不需要重新编译优化。

由于模型权重未进行优化流程，一些对常量的优化无法进行，因此会损失部分优化空间。为了解决性能受损的问题，PAI-Blade中，使用了部分patch，对原始模型进行python层级的替换，使得模型更适合PAI-Blade优化。通过在优化前，使用 torch_blade.monkey_patch优化 Stable Diffusion 模型中的 unet和vae部分，能更好的发挥PAI-Blade能力。

from torch_blade.monkey_patch import patch_utils

patch_utils.patch_conv2d(pipe.vae.decoder)
patch_utils.patch_conv2d(pipe.unet)

opt_cfg = torch_blade.Config()
...
opt_cfg.freeze_module = False
with opt_cfg, torch.no_grad():
    ...

如果没有LoRA权重切换的需求，可以忽略上述步骤，获得更快的推理速度。

Benchmark

我们在A100/A10上测试了上述对LoRA优化的结果，测试模型为 runwayml/stable-diffusion-v1-5，测试采样步数为50。

使用 PAI-Blade 优化 Stable Diffusion 推理流程(二)

ControlNet适配

根据 ControlNet 的模型结构图以及diffusers中ControlNet实现，可以将ControlNet的推理分为两部分。

使用 PAI-Blade 优化 Stable Diffusion 推理流程(二)

ControlNet部分，其input blocks和 mid block 结构与Stable DiffusionUnet的前半部分相同，剩余部分为卷积。ControlNet所有输出传入到Stable DIffusion的Unet中，作为输入；
Stable Diffusion 的Unet除了原始输入外，额外增加了ControlNet的输出作为输入。

根据上述特点，我们可以做出以下的优化：

首先，优化ControlNet，

controlnet = torch_blade.optimize(pipe.controlnet, model_inputs=tuple(controlnet_inputs), allow_tracing=True)

在优化unet模型时，由于torch2.0之前的版本，torch.jit.trace不支持使用dict作为输入，所以我们使用Wrapper包装Unet后便于trace和优化。同时，使用优化后的ControlNet执行一次推理，将其输出添加到Unet输入中。

class UnetWrapper(torch.nn.Module):
    def __init__(self, unet):
        super().__init__()
        self.unet = unet

    def forward(
        self,
        sample,
        timestep,
        encoder_hidden_states,
        down_block_additional_residuals,
        mid_block_additional_residual,
    ):
        return self.unet(
            sample,
            timestep,
            encoder_hidden_states=encoder_hidden_states,
            down_block_additional_residuals=down_block_additional_residuals,
            mid_block_additional_residual=mid_block_additional_residual,
        )

...
down_block_res_samples, mid_block_res_sample = controlnet(*controlnet_inputs)
unet_inputs += [tuple(down_block_res_samples), mid_block_res_sample]
unet = torch_blade.optimize(UnetWrapper(pipe.unet).eval(), model_inputs=tuple(unet_inputs), allow_tracing=True)

结合上述功能，可以同时实现：

LoRA权重替换；
ControlNet权重替换，来使用不同ControlNet model。

benchmark

我们在A100/A10上测试了上述对ControlNet优化的结果，测试模型为 runwayml/stable-diffusion-v1-5，测试采样步数为50。

使用 PAI-Blade 优化 Stable Diffusion 推理流程(二)

小结

在上述部分，我们使用了PAI-Blade优化了Stable DIffusion模型的encoder、unet、decoder部分，大幅降低推理延时的同时，减少了显存占用，从而降低Stable DIffusion模型推理成本。同时，PAI-Blade支持了LoRA、ControlNet等常用功能，扩展了PAI-Blade的实用性。

webui适配

stable-diffusion-webui 是 Stable DIffusion非常热门的应用，PAI-Blade 同样提供了对其优化支持。目前，PAI-Blade已经支持了模型权重切换、LoRA、ControlNet等webui中常用的功能，同时通过 extension 的形式集成，可以便于用户使用。目前，相关优化已经集成到 PAI-EAS 的 eas-registry.cn-hangzhou.cr.aliyuncs.com/pai-eas/sdwebui-inference:0.0.2-py310-gpu-cu117-ubuntu2204-blade 镜像，可以通过PAI_EAS直接体验PAI-Blade的优化能力。

下面介绍该插件中，PAI-Blade在webui中优化方式和性能。webui优化原理与diffusers大致相同，以下是几个主要不同点：

分模块优化Unet和ControlNet

由于webui中，ControlNet需要逐个调用Unet的子模块，为了兼顾ControlNet，PAI-Blade并没有像diffusers中一样，优化整个Unet和ControlNet。而是采取逐个子模块优化的方法，将Unet、ControlNet中所有的down blocks、 mid block、up blocks分别进行优化和替换。经过测试，此种优化方式几乎不影响模型推理速度。

不冻结权重

webui的网页上，可以快捷的切换模型权重。因此，PAI-Blade采取和diffusers中LoRA优化同样的方法，不对权重进行优化。

LoRA优化

webui中，多个LoRA会逐个调用LoRA计算，计算时间随LoRA数量增多而变长。PAI-Blade 在加载LoRA权重时，将多个LoRA的权重与scale预先fuse，减少了运行时的开销。加载和fuse的开销，经测试可忽略不计。

Benchmark

我们在A10上测试了webui中，Stable DIffusion V1 模型在 batch size为1，分辨率为512*512条件下的推理速度。由于webui中涉及到网络传输等模型无关部分的延迟，因此本部分只测试了模型部分耗时。结果如下：

steps	eager			xformers			PAI-Blade
steps	no LoRAs	+ 2 LoRAs	ControlNet	no LoRAs	+ 2 LoRAs	ControlNet	any LoRAs	ControlNet
20	2.03	2.94	2.75	1.57	2.46	2.14	1.15	1.62
50	4.77	7.17	6.64	3.63	5.86	5.06	2.59	3.75
100	9.45	14.18	13.13	7.10	11.54	9.90	4.96	7.35