Intel Core Ultra 笔记本处理器集成NPU初探（Intel AI Boost）

（更新Roofline图）在笔记本市场中，Intel Ultra系列和AMD 8000系列不约而同的加入了集成NPU作为卖点（甚至对于AMD而言，是其7000系到8000的几乎唯一变化），各路数码新闻中鼓吹最多的便是所谓“AIPC”概念，但却往往对其NPU的具体用法语焉不详，或者将一些实际使用核显进行的推理归功于NPU。

由于本人近日购入了Intel Core Ultra CPU的笔记本，外加科研需要，对其集成NPU进行了一些调研。

省流：通常跑AI推理的实用性不如核显，目前仅支持静态shape的模型，因此无法做LLM推理，通常只做AI抠图这类简单任务。目前最大的用途是Win11自带的“工作室”效果功能，包含摄像头背景虚化、眼神接触、自动缩放取景三个功能，虽然这些CPU/GPU也能跑，但或许用NPU功耗更低。

设备：华硕 ROG 幻16 air （GU605），CPU：Intel Core Ultra 9 185H

打开Intel官网中Ultra 9 185H的资料，其对NPU的描述如下：

注意最后一行，由于OpenVINO是Intel官方的推理框架，后续我们将用它来测试，OpenVINO显然是支持Ultra的NPU的，相关文档如下：https://docs.openvino.ai/2024/openvino-workflow/running-inference/inference-devices-and-modes/npu-device.html，可以看到Ultra中NPU的实际型号为NPU 3720

测试环境实用Win11，其自带NPU的驱动（Linux下则需要自行编译），OpenVINO使用pip方式安装，具体请参考官方文档，注意其并非所有安装方式都有NPU支持。

硬件属性

使用如下代码检测NPU，并打印其硬件属性：

import openvino as ov
import openvino.properties as ovp
print(f"{ov.__version__ = }")

core = ov.Core()
print(f"{core.available_devices = }")

DEVICE = "NPU"
if DEVICE in core.available_devices:
    print(f"- {DEVICE} found")
    supported_properties = core.get_property(DEVICE, ovp.supported_properties)

    for p, w in supported_properties.items():
        try:
            print(f"{p:>40} ({w}) = {core.get_property(DEVICE, p)}")
        except Exception as e:
            print(f"{p:>40} ({w}):", e)
else:
    print(f"- {DEVICE} not found")

在我的设备上输出如下：

ov.__version__ = '2024.0.0-14509-34caeefd078-releases/2024/0'
core.available_devices = ['CPU', 'GPU.0', 'GPU.1', 'GPU.2', 'GPU.3', 'NPU']
- NPU found
                       AVAILABLE_DEVICES (RO) = ['3720']
                               CACHE_DIR (RO) =
                      CACHING_PROPERTIES (RO) = {'DEVICE_ARCHITECTURE': 'RW', 'NPU_COMPILATION_MODE_PARAMS': 'RW', 'NPU_DMA_ENGINES': 'RW', 'NPU_DPU_GROUPS': 'RW', 'NPU_COMPILATION_MODE': 'RW', 'NPU_DRIVER_VERSION': 'RW', 'NPU_COMPILER_TYPE': 'RW', 'NPU_USE_ELF_COMPILER_BACKEND': 'RW'}
                     DEVICE_ARCHITECTURE (RO) = 3720
                               DEVICE_ID (RW) =
                             DEVICE_UUID (RO) = <已打码>
                      ENABLE_CPU_PINNING (RW) = False
                EXCLUSIVE_ASYNC_REQUESTS (RW) = False
                        FULL_DEVICE_NAME (RO) = Intel(R) AI Boost
           INTERNAL_SUPPORTED_PROPERTIES (RO) = {'CACHING_PROPERTIES': 'RW'}
                               LOG_LEVEL (RW) = Level.NO
                          MODEL_PRIORITY (RW) = Priority.MEDIUM
                        NPU_BACKEND_NAME (RO) = LEVEL0
                    NPU_COMPILATION_MODE (RW) =
             NPU_COMPILATION_MODE_PARAMS (RW) =
                       NPU_COMPILER_TYPE (RW) = DRIVER
               NPU_DEVICE_ALLOC_MEM_SIZE (RO) = 0
               NPU_DEVICE_TOTAL_MEM_SIZE (RO) = 33554432
                         NPU_DMA_ENGINES (RW) = -1
                          NPU_DPU_GROUPS (RW) = -1
                      NPU_DRIVER_VERSION (RO) = 1688
                           NPU_MAX_TILES (RW) = -1
                            NPU_PLATFORM (RW) = AUTO_DETECT
                     NPU_PRINT_PROFILING (RW) = NONE
               NPU_PROFILING_OUTPUT_FILE (RW) =
                      NPU_PROFILING_TYPE (RW): Unable to convert function return value to a Python type! The signature was       
        (self: openvino._pyopenvino.Core, device_name: str, property: str) -> object
                            NPU_STEPPING (RW) = -1
            NPU_USE_ELF_COMPILER_BACKEND (RW) = AUTO
                             NUM_STREAMS (RO) = 1
        OPTIMAL_NUMBER_OF_INFER_REQUESTS (RO) = 1
               OPTIMIZATION_CAPABILITIES (RO) = ['FP16', 'INT8', 'EXPORT_IMPORT']
                        PERFORMANCE_HINT (RW) = PerformanceMode.LATENCY
           PERFORMANCE_HINT_NUM_REQUESTS (RW) = 1
                              PERF_COUNT (RW) = False
          RANGE_FOR_ASYNC_INFER_REQUESTS (RO) = (1, 10, 1)
                       RANGE_FOR_STREAMS (RO) = (1, 4)
                    SUPPORTED_PROPERTIES (RO) = {'AVAILABLE_DEVICES': 'RO', 'CACHE_DIR': 'RO', 'CACHING_PROPERTIES': 'RO', 'DEVICE_ARCHITECTURE': 'RO', 'DEVICE_ID': 'RW', 'DEVICE_UUID': 'RO', 'ENABLE_CPU_PINNING': 'RW', 'EXCLUSIVE_ASYNC_REQUESTS': 'RW', 'FULL_DEVICE_NAME': 'RO', 'INTERNAL_SUPPORTED_PROPERTIES': 'RO', 'LOG_LEVEL': 'RW', 'MODEL_PRIORITY': 'RW', 'NPU_BACKEND_NAME': 'RO', 'NPU_COMPILATION_MODE': 'RW', 'NPU_COMPILATION_MODE_PARAMS': 'RW', 'NPU_COMPILER_TYPE': 'RW', 'NPU_DEVICE_ALLOC_MEM_SIZE': 'RO', 'NPU_DEVICE_TOTAL_MEM_SIZE': 'RO', 'NPU_DMA_ENGINES': 'RW', 'NPU_DPU_GROUPS': 'RW', 'NPU_DRIVER_VERSION': 'RO', 'NPU_MAX_TILES': 'RW', 'NPU_PLATFORM': 'RW', 'NPU_PRINT_PROFILING': 'RW', 'NPU_PROFILING_OUTPUT_FILE': 'RW', 'NPU_PROFILING_TYPE': 'RW', 'NPU_STEPPING': 'RW', 'NPU_USE_ELF_COMPILER_BACKEND': 'RW', 'NUM_STREAMS': 'RO', 'OPTIMAL_NUMBER_OF_INFER_REQUESTS': 'RO', 'OPTIMIZATION_CAPABILITIES': 'RO', 'PERFORMANCE_HINT': 'RW', 'PERFORMANCE_HINT_NUM_REQUESTS': 'RW', 'PERF_COUNT': 'RW', 'RANGE_FOR_ASYNC_INFER_REQUESTS': 'RO', 'RANGE_FOR_STREAMS': 'RO', 'SUPPORTED_PROPERTIES': 'RO'}

ResNet-50 单batch推理测试

使用fp16精度，batchsize = 1，重复2000次推理，单次耗时如下：

avg latency = 3.462ms

根据估计的ResNet-50的计算量，其达到的roofline性能大致如下（不准确，仅预估）：

RESNET50_M_FLOP = 8206.520    # approximate
RESNET50_M_MEM_RW = 105.763   # approximate

avg latency = 0.0034620463848114014
reached GFLOP/s: 2370.4246
reached GB/s: 30.5493

达到的fp16性能约为2.35 TFLOP/s，由于是bs=1的推理，离上限值应该还是有不小距离的

功耗的话，用HWInfo64可看到“System Agent Power”在推理时从4w左右增加到10w左右，即6w，不确定这其中是否都是NPU的功耗，否则这个能效表现其实一般。不过在打开全部的“Windows工作室效果”时，System Agent功耗仅上升了1~2w，此时任务管理器中NPU利用率约为46%

多模型Roofline测试

这是多个模型在其上的测试，达到的FLOP/s和内存带宽基于理论估计，模型列表如下，不存在则表示（在当时）尚无法成功运行。

可以看出，其优化程度较差，远远无法跑到理论性能fp16: 5.7 TFLOP/s, int8: 11.5TOP/s（计算方法：2048 fp16 MACs or 4096 int8 MACs per cycle @ 1.4GHz）。也有文章指出，其可能无法利用全部的内存带宽，具有远远更低的内存墙，但依然无法解释为何ResNet-34的性能也很低。