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Modern Embedded Recipes · 142/152

ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포

· Hawk · 5분 읽기

#한 줄 요약

“ONNX는 프레임워크 중립 모델 format, ONNX Runtime은 모든 hardware에 한 모델로 배포하는 inference 엔진입니다.” Execution Provider만 바꿔 같은 .onnx로 CUDA, TensorRT, CoreML, DML, CPU를 골라 씁니다.

#어떤 상황에서 쓰나

PyTorch 학습 → ONNX export → 다양한 device 배포가 가장 흔한 패턴입니다. 한 모델 file로 Windows ML, Linux GPU, macOS, Jetson, Android, iOS, embedded ARM 모두 가능합니다. TensorRT가 NVIDIA 전용이라면 ONNX Runtime은 cross-vendor 옵션입니다.

LLM serving (Phi, Llama via ONNX Runtime GenAI), audio model (Whisper), vision (YOLOv8) 모두 ONNX Runtime이 사실상 표준 deploy 옵션입니다.

#핵심 개념 — ONNX format

ONNX (Open Neural Network Exchange):

  • Protobuf 기반 그래프 representation
  • Operator set version (opset)
  • 모델 = nodes (ops) + initializers (weights) + I/O
import torch
model = torchvision.models.resnet50(pretrained=True)
model.eval()
dummy = torch.randn(1, 3, 224, 224)
torch.onnx.export(model, dummy, "resnet50.onnx",
input_names=['input'],
output_names=['output'],
dynamic_axes={'input': {0: 'batch'},
'output': {0: 'batch'}},
opset_version=17)

resnet50.onnx 한 파일이 어디서나 동작.

#ONNX Runtime 기본

import onnxruntime as ort
import numpy as np
sess = ort.InferenceSession('resnet50.onnx',
providers=['CPUExecutionProvider'])
input = np.random.randn(1, 3, 224, 224).astype(np.float32)
out = sess.run(['output'], {'input': input})
print(out[0].shape)

C++:

#include <onnxruntime_cxx_api.h>
Ort::Env env(ORT_LOGGING_LEVEL_WARNING, "test");
Ort::SessionOptions opts;
Ort::Session sess(env, "resnet50.onnx", opts);
std::vector<int64_t> shape = {1, 3, 224, 224};
std::vector<float> input(1*3*224*224);
auto mem = Ort::MemoryInfo::CreateCpu(OrtArenaAllocator, OrtMemTypeDefault);
auto in_tensor = Ort::Value::CreateTensor<float>(mem, input.data(),
input.size(),
shape.data(), shape.size());
const char *in_name = "input";
const char *out_name = "output";
auto outputs = sess.Run(Ort::RunOptions{}, &in_name, &in_tensor, 1, &out_name, 1);
float *out = outputs[0].GetTensorMutableData<float>();

#Execution Provider — Hardware별 backend

Provider대상
CPUExecutionProvider모든 platform, fallback
CUDAExecutionProviderNVIDIA GPU
TensorrtExecutionProviderNVIDIA + TensorRT (속도 ↑)
DmlExecutionProviderDirectML (Windows GPU)
CoreMLExecutionProviderApple GPU/ANE
OpenVINOExecutionProviderIntel CPU/GPU/NPU
QNNExecutionProviderQualcomm Hexagon
NNAPIExecutionProviderAndroid NPU
SnpeExecutionProviderQualcomm SNPE
ROCMExecutionProviderAMD GPU
ACLExecutionProviderARM Compute Library

같은 코드, provider만 바꿈:

# NVIDIA
sess = ort.InferenceSession('resnet50.onnx',
providers=['TensorrtExecutionProvider', 'CUDAExecutionProvider', 'CPUExecutionProvider'])
# Apple
sess = ort.InferenceSession('resnet50.onnx',
providers=['CoreMLExecutionProvider', 'CPUExecutionProvider'])
# Windows DirectX
sess = ort.InferenceSession('resnet50.onnx',
providers=['DmlExecutionProvider', 'CPUExecutionProvider'])

Provider 순서대로 지원 op는 해당 provider, unsupported는 fallback.

#TensorRT EP — NVIDIA에서 최고 throughput

options = [
('TensorrtExecutionProvider', {
'trt_fp16_enable': True,
'trt_int8_enable': False,
'trt_engine_cache_enable': True,
'trt_engine_cache_path': './trt_cache',
}),
'CUDAExecutionProvider',
'CPUExecutionProvider',
]
sess = ort.InferenceSession('model.onnx', providers=options)

첫 호출에 TensorRT가 engine을 build (수분), 이후는 cache에서 load. TensorRT 직접 쓰는 것 대비 약간 overhead. 편의성 vs 약간의 성능.

#CoreML EP — Apple Silicon

sess = ort.InferenceSession('model.onnx',
providers=[('CoreMLExecutionProvider', {
'COREML_FLAG_USE_CPU_ONLY': False,
'COREML_FLAG_USE_NPU': True,
})])

ANE (Apple Neural Engine)에 자동 dispatch. M2/M3 Mac에서 ResNet-50 ~1ms.

#QNN EP — Qualcomm Hexagon

sess = ort.InferenceSession('model.onnx',
providers=[('QNNExecutionProvider', {
'backend_path': '/path/to/libQnnHtp.so',
})])

Snapdragon 디바이스의 Hexagon HTP (NPU)를 활용.

#Embedded / Minimal Build

ONNX Runtime 전체: ~50 MB
Mobile build (선택 op만): ~5 MB
Custom slim build: 더 작게

CMake로 직접:

Terminal window
git clone https://github.com/microsoft/onnxruntime.git
cd onnxruntime
./build.sh --config MinSizeRel \
--minimal_build \
--disable_ml_ops \
--include_ops_by_config required_ops.config \
--enable_reduced_operator_type_support

required_ops.config모델이 쓰는 op만 명시.

#모델 최적화 — ORT format

import onnxruntime as ort
sess_options = ort.SessionOptions()
sess_options.graph_optimization_level = ort.GraphOptimizationLevel.ORT_ENABLE_ALL
sess_options.optimized_model_filepath = 'model.opt.onnx'
sess = ort.InferenceSession('model.onnx', sess_options)

.opt.onnx최적화된 ORT format. Mobile build에서 더 빠르게 load.

#Quantization

from onnxruntime.quantization import quantize_dynamic, QuantType
quantize_dynamic('model.onnx', 'model.int8.onnx',
weight_type=QuantType.QInt8)

Dynamic quantization: weight만 INT8, activation은 runtime 변환. 빠르고 손실 적음.

Static quantization (calibration 필요):

from onnxruntime.quantization import quantize_static, CalibrationDataReader
class MyReader(CalibrationDataReader):
def get_next(self):
return {'input': next_batch()}
quantize_static('model.onnx', 'model.int8.onnx', MyReader(),
quant_format=QuantFormat.QDQ)

#사례 — YOLOv8 multi-platform

같은 .onnx 한 파일로:

PlatformEP성능
Server (NVIDIA T4)TensorRT EP250 fps
Workstation (RTX 4090)CUDA EP400 fps
Jetson OrinTensorRT EP80 fps
Mac M2CoreML EP60 fps
Windows + AMD GPUDML EP50 fps
Android (Qualcomm)QNN EP30 fps
Linux ARM (RPi5)CPU5 fps

PyTorch → ONNX export 한 번, 6 platform 배포.

#사례 — Whisper 음성 인식

import onnxruntime as ort
sess = ort.InferenceSession('whisper-tiny.onnx',
providers=['CoreMLExecutionProvider'])
mel = compute_mel_spectrogram(audio) # (1, 80, 3000)
out = sess.run(None, {'input_features': mel})
tokens = greedy_decode(out[0])

Whisper-tiny가 Mac M2에서 real-time보다 10배 빠르게 동작. CoreML로 ANE 활용.

#ONNX Runtime Web — Browser

import * as ort from 'onnxruntime-web';
const session = await ort.InferenceSession.create('model.onnx', {
executionProviders: ['webgl', 'wasm']
});
const input = new ort.Tensor('float32', new Float32Array(...), [1, 3, 224, 224]);
const output = await session.run({input});

WASM + WebGL/WebGPU로 브라우저에서 inference. Server 없이 client에서.

#Profile

sess_options = ort.SessionOptions()
sess_options.enable_profiling = True
sess = ort.InferenceSession('model.onnx', sess_options)
# Run inference
sess.run(...)
profile_file = sess.end_profiling()
# Chrome Tracing format → chrome://tracing

각 op의 latency가 visualize됩니다. Bottleneck op를 찾아 optimize.

#자주 보는 함정

Provider 우선순위 잘못

providers=['CPUExecutionProvider', 'CUDAExecutionProvider']

CPU가 첫 번째면 CUDA가 무시됨. 빠른 것을 먼저.

Unsupported op로 fallback

Some nodes are not supported by TensorrtExecutionProvider
→ partition fallback to CUDA

EP 별로 지원 op가 다름. Verbose log로 어느 op가 어디로 가는지 확인.

ONNX opset 호환

TensorRT 8.4 supports opset 17
Model opset 18 → fail or downgrade

ONNX export 시 target EP에 맞는 opset 선택.

Dynamic shape 미지원

dynamic_axes={'input': {0: 'batch'}}

지원되지만 TensorRT EP는 min/max shape 명시 필요. 그렇지 않으면 매 호출마다 engine rebuild.

Calibration data 부족

Static INT8 quantization에서 calibration data가 부족하면 accuracy 5-10% 손실. 500~1000장 권장.

Mobile build에서 op 누락

Op 'GridSample' not found

Custom build에서 op를 빠뜨림. required_ops.config 재생성.

#정리

  • ONNX = 프레임워크 중립 모델 format.
  • ONNX Runtime = 그 모델을 어떤 hardware에서도 돌리는 inference 엔진.
  • Execution Provider만 바꿔서 CPU/CUDA/TensorRT/CoreML/DML/QNN/NNAPI 전환.
  • Provider 순서: 빠른 것 먼저, 마지막에 CPU fallback.
  • Minimal build로 5 MB까지 줄임. Embedded·mobile에 적합.
  • Dynamic INT8 quantization은 calibration 없이 빠르게.
  • ORT format으로 mobile loading 최적화.
  • Browser inference도 onnxruntime-web으로 가능.
  • 모델 한 번 export로 다양한 platform 배포가 ONNX Runtime의 핵심 가치.

다음 편은 Series 마지막 — Modern Embedded Recipes 정리입니다.

#관련 항목

Modern Embedded Recipes · 143 of 152

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  5. 5UART 하드웨어 동작 분석 — Baud Rate·Framing·FIFO
  6. 6SPI 하드웨어 분석 — Clock Mode·MOSI/MISO·Chip Select
  7. 7I2C 하드웨어 분석 — Open-Drain·Clock Stretching·Arbitration
  8. 8ADC 동작 원리 — SAR·Sigma-Delta·Pipelined 비교
  9. 9DAC 동작 원리 — R-2R Ladder·Sigma-Delta·Settling Time
  10. 10PWM 신호 생성 분석 — Duty·Frequency·Dead Time·Center-Aligned
  11. 11CAN 버스 전기적 특성 — Differential·Termination·Dominant/Recessive
  12. 12RS-485·RS-422 차동 신호 분석 — Termination·Biasing·Topology
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  14. 14ARM Cortex-M 시리즈 비교 — M0·M3·M4·M7·M33·M55 분석
  15. 15ARM Cortex-A 시리즈 비교 — A53·A55·A72·A78·X1 분석
  16. 16ARM 레지스터 구조 분석 — R0~R15·CPSR·SPSR·Banked Registers
  17. 17Cortex-M 예외 처리 — Vector Table·NVIC·Tail-Chaining 추적
  18. 18ARM 메모리 맵 분석 — Normal·Device·Strongly-Ordered Region
  19. 19ARM L1·L2 캐시 분석 — Set Associative·Inclusive·Maintenance
  20. 20ARM MPU 활용 — Region·Attribute·Privilege Separation
  21. 21ARM MMU 기초 분석 — Translation Table·TLB·ASID
  22. 22ARM TrustZone-M 기초 — Secure/Non-Secure·NSC·MPC
  23. 23ARM Memory Barrier 실전 — DMB·DSB·ISB·DMA·MMIO
  24. 24임베디드 크로스 컴파일러 분석 — GCC·Clang·Sysroot 구성
  25. 25C 컴파일 4단계 — Preprocess·Compile·Assemble·Link 추적
  26. 26ELF 파일 구조 분석 — Section·Segment·Symbol Table·DWARF
  27. 27링커 스크립트 기초 — SECTIONS·MEMORY·entry point
  28. 28링커 스크립트 고급 — Overlay·BSS·init_array·LMA/VMA
  29. 29임베디드 스타트업 코드 분석 — Reset_Handler·Vector Table·SystemInit
  30. 30C 런타임 crt0 분석 — Stack·BSS Zero·Data Copy·atexit
  31. 31임베디드 메모리 레이아웃 — .text·.rodata·.data·.bss·.heap·.stack
  32. 32임베디드 컴파일러 최적화 분석 — -O0~-O3·-Os·-LTO 비교
  33. 33Map 파일 분석 — Symbol·Section·Size 추적으로 코드 크기 진단
  34. 34Make·CMake 크로스 컴파일 — Toolchain File·Sysroot 통합
  35. 35임베디드 Bootloader 체인 — BootROM·SPL·U-Boot·Kernel·Secure Boot
  36. 36첫 bare-metal 프로그램 작성 — Linker·Startup·main의 최소 구성
  37. 37MMIO 레지스터 직접 접근 — volatile·Memory Map·Aliasing 분석
  38. 38GPIO 드라이버 직접 구현 — STM32 HAL 없이 레지스터로
  39. 39임베디드 클럭 설정 분석 — HSE·PLL·SYSCLK·AHB/APB 분주
  40. 40Cortex-M 인터럽트 핸들링 — NVIC·Priority·Vector·EXTI
  41. 41SysTick 타이머 활용 — 24-bit Counter·1ms Tick·delay 구현
  42. 42UART 드라이버 구현 — polling·interrupt·DMA 3가지 방식 비교
  43. 43SPI 드라이버 구현 — Master·Slave·CRC·DMA
  44. 44I2C 드라이버 구현 — Master·7-bit/10-bit·Clock Stretching 처리
  45. 45임베디드 DMA 기초 — Memory-to-Memory·Peripheral·Circular Mode
  46. 46저전력 모드 분석 — Sleep·Stop·Standby·Wake-up Source
  47. 47IWDG·WWDG 워치독 구현 — Independent vs Window 비교
  48. 48임베디드 Flash 프로그래밍 — Erase·Program·Read While Write
  49. 49DDR 초기화 실패 진단 — Timing·Calibration·Walking Bit Test
  50. 50PWM 출력 실전 — LED 밝기·모터 속도 제어
  51. 51DC 모터 제어 — H-Bridge·PWM Duty·Encoder Feedback
  52. 52스테퍼 모터 제어 — Full Step·Half Step·Microstepping
  53. 53서보 모터 제어 — PWM 1ms~2ms·Closed Loop·PID
  54. 54Character LCD 제어 — HD44780·4-bit Mode·Custom Char
  55. 55SPI OLED 제어 — SSD1306·Frame Buffer·Page 단위 갱신
  56. 56TFT 디스플레이 구동 — RGB565·FSMC·LTDC·DMA2D
  57. 57환경 센서 활용 — BME280 온습압·SHT3x·BMP180 비교
  58. 58IMU 센서 활용 — MPU6050·LSM6DSO·Sensor Fusion
  59. 59CAN 통신 구현 — bxCAN·Filter·Mailbox·CAN-FD
  60. 60USB Device 기초 — Descriptor·Enumeration·Endpoint·HID/CDC
  61. 61Ethernet MAC+PHY 통합 — RMII·lwIP·DMA Descriptor
  62. 62SD Card + FatFs 구현 — SPI/SDIO 모드·CSD/CID·Wear
  63. 63RTC 활용 — Calendar·Alarm·Wake-up Timer·Backup Domain
  64. 64RTOS 도입 결정 분석 — Super Loop vs RTOS 트레이드오프
  65. 65RTOS Task 설계 패턴 — 우선순위·스택·State Machine
  66. 66RTOS Scheduler 동작 분석 — Tick·Context Switch·Yield
  67. 67RTOS Semaphore 활용 — Binary·Counting·ISR Give
  68. 68RTOS Mutex 활용 — Recursive·Priority Inheritance 적용
  69. 69RTOS Queue 활용 — By-Value·By-Reference·Timeout 패턴
  70. 70RTOS Event Group 활용 — Bit Wait·Sync·Notify
  71. 71RTOS Software Timer 활용 — One-shot·Auto-reload·Daemon Task
  72. 72ISR-Safe API 설계 — Reentrant·Atomic·Defer 패턴
  73. 73Priority Inversion 진단·예방 — Mars Pathfinder Lesson 추적
  74. 74Timer Wheel 분석 — Hashed·Hierarchical·O(1) Tick
  75. 75RTOS 디버깅 기법 — Tracealyzer·SystemView·Stack 추적
  76. 76임베디드 Linux 부팅 흐름 분석 — BootROM·U-Boot·Kernel·init
  77. 77U-Boot 활용 — bootcmd·env·tftp·boot.scr 분석
  78. 78Device Tree 실전 — DTS·DTB·Overlay·Phandle 추적
  79. 79Device Tree Overlay 적용 — Runtime fragment·dtoverlay
  80. 80임베디드 커널 빌드 — defconfig·menuconfig·Image·zImage
  81. 81커널 모듈 기초 — init/exit·Parameter·KBuild·DKMS
  82. 82캐릭터 드라이버 작성 — file_operations·cdev·register_chrdev
  83. 83Platform 드라이버 작성 — probe·remove·of_match·DT 바인딩
  84. 84mmap 4가지 모드 — Anonymous·File·Shared·Huge Page
  85. 85epoll 실전 — LT·ET·ONESHOT·EXCLUSIVE 비교
  86. 86UIO·VFIO 분석 — User-Space Driver와 IOMMU 격리
  87. 87sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
  88. 88IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
  89. 89루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
  90. 90임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
  91. 91메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
  92. 92Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
  93. 93DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
  94. 94Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
  95. 95NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
  96. 96SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
  97. 97ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
  98. 98임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX