6.2. AI编译器前端技术概述

图6.2.1展示了机器学习编译器前端的基础结构。其中，对源程序的解析过程与传统编译器是大致相同的，本章节不对这部分进行更细致的讨论。机器学习框架的编译器前端的独特之处主要在于对自动微分功能的支持。为了满足自动微分功能带来的新需求，机器学习框架需要在传统中间表示的基础上设计新的中间表示结构。因此，本章节的介绍重点会放在中间表示和自动微分这两个部分，随后会简要探讨类型系统、静态分析和前端优化等编译器的基础概念。

图6.2.1 译器前端基础结构

6.2.1. 中间表示

中间表示是编译器用于表示源代码的数据结构或代码，是程序编译过程中介于源语言和目标语言之间的程序表示。传统机器学习框架的中间表示分为三大类，分别是线性中间表示，图中间表示以及混合中间表示。然而，传统编译器的中间表示难以完全满足机器学习框架对于中间表示的一系列需求。因此，机器学习框架的开发者在传统中间表示的设计基础上不断扩展，提出了很多适用于机器学习框架的中间表示。

6.2.2. 自动微分

自动微分（Automatic Differentiation， AD）是一种介于符号微分和数值微分之间的针对计算图进行符号解析的求导方法，用于计算函数梯度值。深度学习等现代AI算法通过使用大量数据来学习拟合出一个优化后带参模型，其中使用的学习算法多是基于现实数据在模型中的经验误差，通过梯度下降的方法来更新模型的参数。因此，自动微分在深度学习中处于非常重要的地位，是整个训练算法的核心组件之一。自动微分通常在编译器前端优化中实现，通过对中间表示的符号解析来生成带有梯度函数的中间表示。

6.2.3. 类型系统与静态分析

为了有效减少程序在运行时可能出现的错误，编译器的前端引入了类型系统（Type System）和静态分析（Static Analysis）系统。类型系统可以防止程序在运行时发生类型错误，而静态分析能够为编译优化提供线索和信息，有效减少代码中存在的结构性错误、安全漏洞等问题。

6.2.4. 前端编译优化

编译优化意在解决代码的低效性，无论是在传统编译器还是在机器学习框架中都起着很重要的作用。前端的编译优化与硬件无关。