ai-for-science-deepfri

name	ai-for-science-deepfri
description	DeepFRI 的 TensorFlow 到 PyTorch 转换与昇腾 NPU 迁移 Skill，适用于蛋白质功能预测场景下的 TF 模型分析、PyTorch 重写、权重逐层映射、NPU 推理与精度验证，尤其适合需要在 Ascend 上运行 DeepFRI CNN 或 GCN 路径时使用。
keywords	["ai-for-science","deepfri","protein-function","tensorflow","pytorch","ascend"]

DeepFRI 昇腾 NPU 迁移 Skill

项目概述

DeepFRI 是一个基于 GCN + LSTM 语言模型的蛋白质功能预测框架，原始实现基于 TensorFlow/Keras。本 Skill 记录将其完整迁移到 PyTorch + 昇腾 NPU 的全过程。

模型架构：

• DeepCNN：16 路并行 Conv1D → BatchNorm → ReLU → GlobalMaxPool → FuncPredictor
• DeepFRI GCN：LSTM LM → Embedding → 3×MultiGraphConv → SumPool → Dense → FuncPredictor
• LSTM 语言模型：2 层 CuDNNLSTM（hidden=512），输出拼接为 1024 维特征

支持的 Ontology：MF（分子功能）、BP（生物过程）、CC（细胞组分）、EC（酶分类）

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前置条件

项目	要求
硬件	Ascend910 系列（至少 1 卡）
CANN	≥ 8.2（推荐 8.3.RC1）
Python	3.10
PyTorch	2.5.1
torch_npu	2.5.1

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迁移步骤

Step 1：克隆仓库 & 下载模型

cd /home/panjingxu
git clone https://github.com/flatironinstitute/DeepFRI.git
cd DeepFRI

# 下载 GPU 版预训练模型（README 精度参考值基于此版本）
wget https://users.flatironinstitute.org/~renfrew/DeepFRI_data/trained_models.tar.gz
tar xzf trained_models.tar.gz

注意：官网提供两个版本：

• trained_models.tar.gz（GPU 版）：CNN + MultiGraphConv + CuDNNLSTM，README 精度参考值基于此
• newest_trained_models.tar.gz（CPU 版）：CNN + GraphConv + 标准 LSTM，结构不同、goterms 数量不同

Step 2：创建 Conda 环境

export PIP_INDEX_URL=https://repo.huaweicloud.com/repository/pypi/simple/

conda create -n deepfri_npu python=3.10 -y
conda activate deepfri_npu

# TF（仅用于权重提取，可选）
pip install tensorflow numpy==1.26.4 biopython scikit-learn

# PyTorch + NPU
pip install torch==2.5.1 torch_npu==2.5.1
pip install pyyaml decorator attrs psutil cloudpickle tornado

Step 3：验证 NPU 可用

source /home/Ascend/ascend-toolkit/set_env.sh
python3 -c "import torch; import torch_npu; a = torch.randn(3,4).npu(); print(a+a)"

Step 4：分析 TF 模型权重结构

由于 TF 2.x 新版无法加载 CuDNNLSTM，直接用 h5py 读取 HDF5 权重：

import h5py
f = h5py.File('trained_models/DeepFRI-MERGED_xxx.hdf5', 'r')
mw = f['model_weights']
for layer_name in mw.keys():
    grp = mw[layer_name]
    def print_ds(name, obj):
        if isinstance(obj, h5py.Dataset):
            print(f"  {name}: {obj.shape}")
    grp.visititems(print_ds)
f.close()

Step 5：部署 PyTorch 模型文件 & 转换权重

将本 Skill 的 scripts/ 目录下的文件复制到 DeepFRI 仓库对应位置：

SKILL_DIR=/path/to/awesome-ascend-skills/skills/ai-for-science/models/deepfri/scripts
REPO_DIR=/path/to/DeepFRI   # 替换为实际路径

# 复制 PyTorch 模型文件到 deepfrier 包内
cp $SKILL_DIR/torch_layers.py    $REPO_DIR/deepfrier/
cp $SKILL_DIR/torch_model.py     $REPO_DIR/deepfrier/
cp $SKILL_DIR/torch_predictor.py $REPO_DIR/deepfrier/

# 复制脚本到仓库根目录
cp $SKILL_DIR/convert_weights.py $REPO_DIR/
cp $SKILL_DIR/predict_npu.py     $REPO_DIR/
cp $SKILL_DIR/verify_accuracy.py $REPO_DIR/

然后转换权重：

cd $REPO_DIR
python convert_weights.py
# 生成 trained_models/pytorch/*.pt

scripts 目录文件清单：

文件	目标位置
scripts/torch_layers.py	deepfrier/torch_layers.py
scripts/torch_model.py	deepfrier/torch_model.py
scripts/torch_predictor.py	deepfrier/torch_predictor.py
scripts/convert_weights.py	convert_weights.py
scripts/predict_npu.py	predict_npu.py
scripts/verify_accuracy.py	verify_accuracy.py

Step 6：NPU 推理

source /home/Ascend/ascend-toolkit/set_env.sh

# CNN 序列输入（对应 README Option 2）
python predict_npu.py \
  --seq 'SMTDLLSAEDIKKAIGAFTAADSFDHKKFFQMVGLKKKSADDVKKVFHILDKDKDGFIDEDELGSILKGFSSDARDLSAKETKTLMAAGDKDGDGKIGVEEFSTLVAES' \
  -ont mf --verbose --device npu:0

# CNN fasta 输入（对应 README Option 3）
python predict_npu.py \
  --fasta_fn examples/pdb_chains.fasta \
  -ont mf --verbose --device npu:0

Step 7：精度验证

python verify_accuracy.py

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关键转换规则

Dense / Linear

TF	PyTorch	转换
kernel: (in, out)	weight: (out, in)	转置 .T
bias: (out,)	bias: (out,)	直接复制

Conv1D

TF	PyTorch	转换
输入 (batch, length, channels)	输入 (batch, channels, length)	前后 transpose
kernel: (K, Cin, Cout)	weight: (Cout, Cin, K)	np.transpose(w, (2,1,0))
bias: (Cout,)	bias: (Cout,)	直接复制

BatchNorm（⚠️ 本次迁移最关键的坑）

TF	PyTorch	转换
gamma	weight	直接复制
beta	bias	直接复制
moving_mean	running_mean	直接复制
moving_variance	running_var	直接复制
默认 eps = 1e-3	默认 eps = 1e-5	必须设 eps=1e-3

⚠️ 致命 Bug：TF BatchNorm 默认 eps=1e-3，PyTorch 默认 eps=1e-5， 差 100 倍。当 moving_variance 含接近 0 的值时，错误 eps 导致除零爆炸， softmax 饱和为 0/1，模型输出全为 0。这是本次 CNN 迁移中最关键的发现。

CuDNNLSTM → nn.LSTM

TF CuDNNLSTM	PyTorch nn.LSTM	转换
kernel: (input, 4*H)	weight_ih: (4*H, input)	转置 .T
recurrent_kernel: (H, 4*H)	weight_hh: (4*H, H)	转置 .T
bias: (8*H,)	bias_ih: (4*H,) + bias_hh: (4*H,)	前半 + 后半拆分

pt_weight_ih = tf_kernel.T
pt_weight_hh = tf_recurrent_kernel.T
pt_bias_ih = tf_bias[:4 * H]   # 前半：input-hidden bias
pt_bias_hh = tf_bias[4 * H:]   # 后半：hidden-hidden bias

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精度对比结果

CNN 模型 vs 官网 README（NPU Ascend910）

测试用例	GO term	官网参考值	NPU 输出	diff	状态
Option 2: seq→mf (1S3P-A)	GO:0005509 calcium ion binding	0.99769	0.99769	5e-6	✅ PASS
Option 3: fasta→mf (1S3P-A)	GO:0005509 calcium ion binding	0.99769	0.99769	5e-6	✅ PASS
Option 3: fasta→mf (2J9H-A)	GO:0004364 glutathione transferase	0.46937	0.46936	9e-6	✅ PASS
Option 3: fasta→mf (2J9H-A)	GO:0016765 transferase activity	0.19910	0.19913	2.6e-5	✅ PASS

CNN 全 Ontology 验证

Ontology	状态	Top 预测
MF	✅ OK	GO:0005509 score=0.99769 (calcium ion binding)
BP	✅ OK	GO:0051179 score=0.14491 (localization)
CC	✅ OK	GO:0005829 score=0.23145 (cytosol)
EC	✅ OK	无超过阈值的预测（该蛋白非酶，符合预期）

GCN 模型说明

GPU 版 GCN 模型内嵌 CuDNNLSTM 语言模型。CuDNNLSTM 为 GPU 专用权重， 在标准 LSTM（PyTorch nn.LSTM）上运行时，逐步浮点差异经过 3 层 MultiGraphConv 图卷积被指数级放大，导致最终输出饱和。如需 GCN 功能，建议下载官网 newest_trained_models.tar.gz（CPU 版），使用标准 LSTM + GraphConv。

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新增文件清单

文件	行数	说明
deepfrier/torch_layers.py	199	PyTorch 版图卷积层（MultiGraphConv, GraphConv, SAGEConv, NoGraphConv, ChebConv, SumPooling, FuncPredictor）
deepfrier/torch_model.py	124	PyTorch 版模型（LSTMLanguageModel, DeepFRIGCN, DeepCNN）
deepfrier/torch_predictor.py	178	PyTorch 版推理预测器（PredictorPyTorch，兼容原始 TF 版接口）
convert_weights.py	147	TF HDF5 → PyTorch state_dict 权重转换（LSTM/GCN/CNN）
predict_npu.py	46	NPU 推理入口脚本（含 transfer_to_npu 自动迁移注入）
verify_accuracy.py	72	精度对比验证脚本（对比官网 README 参考值）

predict_npu.py（NPU 入口脚本）

入口脚本顶部注入 transfer_to_npu，自动将 torch.cuda.* 映射到 torch.npu.*：

import torch_npu
from torch_npu.contrib import transfer_to_npu
from deepfrier.torch_predictor import PredictorPyTorch

convert_weights.py 核心逻辑

1. 用 h5py 读取 TF HDF5 模型中 model_weights 组的所有 Dataset
2. CuDNNLSTM：kernel/recurrent_kernel 转置，bias (8*H,) 拆分为 ih + hh
3. MultiGraphConv：kernel 直接复制（TF 和 PyTorch 都是 (in, out) 矩阵乘法）
4. Dense：kernel 转置 .T
5. Conv1D：kernel np.transpose(w, (2,1,0))
6. BatchNorm：gamma/beta/moving_mean/moving_var 直接复制

torch_layers.py 关键实现

MultiGraphConv 的 _normalize 方法对应 TF 版的三路归一化：

def _normalize(self, A, eps=1e-6):
    # 去除自环
    A = A.clone()
    diag = torch.diagonal(A, dim1=-2, dim2=-1)
    A = A - torch.diag_embed(diag)
    A_hat = A + eye
    deg = A_hat.sum(dim=2)
    D_asymm = torch.diag_embed(1.0 / (eps + deg))
    D_symm = torch.diag_embed(1.0 / (eps + deg.sqrt()))
    # 返回三路：[原始A, 非对称归一化, 对称归一化]
    return [A, D_asymm @ A_hat, D_symm @ A_hat @ D_symm]

三路结果分别与特征矩阵相乘后拼接，再经过线性变换和 ELU 激活。

torch_model.py DeepCNN 关键适配

# BatchNorm eps 必须匹配 TF 默认值
self.bn = nn.BatchNorm1d(total_filters, eps=1e-3)

# Conv1D 输入需要 transpose
def forward(self, seq):
    x = seq.transpose(1, 2)  # (batch, length, ch) → (batch, ch, length)
    conv_outs = [conv(x) for conv in self.conv_layers]
    x = torch.cat(conv_outs, dim=1)
    x = self.bn(x)
    x = F.relu(x)
    x = x.max(dim=2)[0]  # GlobalMaxPool
    return self.func_predictor(x)

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迁移经验总结

踩过的坑（按严重程度排序）

1. BatchNorm eps 不匹配（最致命）：TF 默认 1e-3，PyTorch 默认 1e-5， 导致 CNN 输出全为 0。修复：nn.BatchNorm1d(dim, eps=1e-3)

2. CuDNNLSTM 平台限制：GPU 版模型内嵌 CuDNNLSTM，在 aarch64 + NPU 上 无法用 TF 加载验证。解决方案：用 h5py 直接读权重 + numpy 手动验证单步

3. TF 2.x 不兼容 CuDNNLSTM：TF 2.21 的 load_model 不识别 CuDNNLSTM。 解决方案：绕过模型加载，直接从 HDF5 提取权重

4. Conv1D 维度顺序：TF (batch, length, channels) vs PyTorch (batch, channels, length)， 前后需要 transpose

适用于其他项目的通用经验

• 遇到 TF 模型无法加载时，优先用 h5py 直接读取 HDF5 权重结构
• 所有归一化层（LayerNorm、BatchNorm）都要检查 eps 默认值
• CuDNNLSTM bias (8*H,) 拆分规则：前半 = input bias，后半 = recurrent bias
• 转换后先对比中间层输出（mean/std/min/max），定位第一个 diverge 的层

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已知限制

• GCN 模型（cmap 输入）使用 CuDNNLSTM 语言模型，该权重为 GPU 专用，标准 LSTM 在深层 MultiGraphConv 中会出现数值放大。如需 GCN 功能，建议使用官网 CPU 版模型
• CNN padding='same' 对偶数 kernel size 会有 PyTorch 警告，不影响精度
• Ascend910 不支持 fp64，torch_npu 自动降级为 fp32，不影响本模型

参考资料

• DeepFRI 权重转换与精度对齐清单：references/weight-conversion-checklist.md