神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器快速、低功耗推理的一個主要挑戰(zhàn)是模型的大小。近年來，隨著模型尺寸的增加，推理時間和每次推理能耗的相應(yīng)增加，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)向更深的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，激活和系數(shù)也在增加。這在資源受限的移動和汽車應(yīng)用中尤為重要。

低精度推理有助于通過降低 DRAM 帶寬（這是影響設(shè)備能耗的一個重要因素）、計算邏輯成本和功耗來降低推理成本。在這種情況下，下面的問題自然而然地出現(xiàn)了：編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重和激活的最佳位深度是多少？有幾個建議的數(shù)字格式可以減少位深度，包括Nvidia的TensorFloat，谷歌的8位非對稱定點（Q8A）和bfloat16。

但是，雖然這些格式是朝著正確方向邁出的一步，但不能說它們是最佳的：例如，大多數(shù)格式都為要表示的每個值存儲一個指數(shù)，當(dāng)多個值在同一區(qū)間時，這些指數(shù)可能是多余的。

更重要的是，他們沒有考慮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不同部分通常有不同的位深度要求這一事實。有些圖層可以用較低的位深度編碼，而其他圖層（如輸入和輸出層）需要更高的位深度。MobileNet v3就是一個例子，它可以從 32 位浮點轉(zhuǎn)換為大多數(shù)在 5-12 位區(qū)間內(nèi)的位深度（見圖 1）。

我們稱使用不同的位深度來編碼原始浮點網(wǎng)絡(luò)的不同部分為可變位深度 （VBD） 壓縮。當(dāng)然，權(quán)重的位深度編碼和網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確度也是需要權(quán)衡的。較低的位深度會導(dǎo)致更有效的推斷，但刪除過多的信息會損害準(zhǔn)確性，這意味著需要找到一個最佳的折中方案。VBD 壓縮的目標(biāo)是在壓縮和精度之間進行平衡。

原則上，可以將其視為優(yōu)化問題：我們希望用盡可能少的比特數(shù)達到最佳精度的網(wǎng)絡(luò)。這是通過在損失函數(shù)中添加新的一項來實現(xiàn)的，該項表示網(wǎng)絡(luò)的大小，以便可以沿原始損失函數(shù)最小化，該函數(shù)可以大致表示為：總損失=網(wǎng)絡(luò)錯誤+γ（網(wǎng)絡(luò)大?。┢渲笑檬且粋€權(quán)重因子，用于控制網(wǎng)絡(luò)大小和誤差之間的目標(biāo)權(quán)衡。

因此，要以這種方式壓縮網(wǎng)絡(luò)，我們需要兩件事：精度的可微度量（錯誤）和網(wǎng)絡(luò)大小的可微度量（壓縮位深度）。網(wǎng)絡(luò)大小項和網(wǎng)絡(luò)誤差項相對于比特數(shù)的可微性非常重要，因為它使我們能夠優(yōu)化（學(xué)習(xí)）比特深度。

可微網(wǎng)絡(luò)規(guī)模

對于可微量化，我們可以使用任何具有可微位深度參數(shù)的函數(shù)，該參數(shù)將一個或多個浮點值映射為硬件可表示的壓縮數(shù)字格式。例如，我們可以使用 Google Q8A 量化的可變位深度版本（其中可表示范圍不是以零為中心）：

其中：

?x?是 x 四舍五入到最近的整數(shù)（使用目標(biāo)硬件平臺的舍入模式）

B 是位深度。

E 是浮點表示的指數(shù)。

α是不對稱參數(shù)。

在實踐中，量化參數(shù) B、E 和α用于壓縮多個權(quán)重，例如，單個參數(shù)用于壓縮整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層（激活或權(quán)重張量）或?qū)觾?nèi)的通道。我們還可以通過將不對稱參數(shù)設(shè)置為 0 來使用對稱量化（有效地將其轉(zhuǎn)換為縮放的 B位無符號整數(shù)格式）：為了實現(xiàn)對所有參數(shù)的反向傳播，我們使用直通估計器，將圓形函數(shù)的梯度作為 1。這使得公式中的所有操作都是可微的，使所有參數(shù)（包括位深度）都可學(xué)習(xí)！此時，我們可以選擇要訓(xùn)練的參數(shù)：1. 權(quán)重和最大壓縮位深度。2. 只有權(quán)重和指數(shù)（對于固定的位深度）。3. 只有量化參數(shù)，它有幾個好處（如下所述），成本可能更低的壓縮比。在生成本文的結(jié)果時選擇了選項 3。

另一個需要考慮的方面是優(yōu)化位深度參數(shù) B（對于某些格式的指數(shù) E）：任何硬件都需要 B 是整數(shù)。要找到整數(shù)解，我們有多種選擇：

將四舍五入與直通估計器一起應(yīng)用于 B 參數(shù)（例如，使用公式）。但是，這給優(yōu)化表面帶來了不連續(xù)性，雖然可以處理，但超出了本文的范圍。

這里選擇的替代方案是在訓(xùn)練的第一階段優(yōu)化浮點數(shù)B，“保守”地將其四舍五入到最近的整數(shù)?B?（ 否則激活和權(quán)重張量的重要部分可能會被鉗制），將其固定為常量并繼續(xù)訓(xùn)練。這樣平均會損失大約 0.5 位的潛在壓縮，但保證不會發(fā)生不適當(dāng)?shù)牟眉簟?/p>

可微精度測度

為了測量網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性，我們可以簡單地使用網(wǎng)絡(luò)最初訓(xùn)練的相同損失函數(shù)。然而，在許多應(yīng)用中，目標(biāo)是壓縮一個已經(jīng)用32 位浮點訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)，這意味著我們可以用蒸餾損失代替。這意味著壓縮網(wǎng)絡(luò)的精度是根據(jù)原始網(wǎng)絡(luò)的輸出來衡量的。在這項工作中，選擇（輸出）logits之間的絕對差異作為蒸餾損失，但也可以采用其他措施。

使用的蒸餾損失定義為：

（等式1）

蒸餾損失有許多優(yōu)點：

無標(biāo)簽訓(xùn)練：我們不需要標(biāo)簽數(shù)據(jù)來壓縮網(wǎng)絡(luò)，因為我們用原始網(wǎng)絡(luò)的輸出取代了標(biāo)簽。這意味著我們可以壓縮網(wǎng)絡(luò)，而無需訪問（可能是專有的）原始數(shù)據(jù)集：我們只需要具有代表性的輸入和原始網(wǎng)絡(luò)。

通用性：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壓縮機具有通用性：它不需要特定于網(wǎng)絡(luò)。

更少的訓(xùn)練數(shù)據(jù)：由于我們只是訓(xùn)練量化參數(shù)，過度擬合的范圍大大縮小，所以我們可以使用更少的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。有時候一張圖片就足夠了！

軟目標(biāo)：由于從輸入得到的蒸餾損失比標(biāo)簽包含更多的量化誤差信息，因此它允許更快、更準(zhǔn)確的收斂。

我們可以使用蒸餾損失將權(quán)重與量化參數(shù)一起訓(xùn)練。然而，在這種情況下，我們需要更多的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來防止過度擬合。兩全其美的方法是以很小的學(xué)習(xí)率來訓(xùn)練權(quán)重，并提前停止。這樣，權(quán)重可以抵消量化誤差，而不會過度擬合數(shù)據(jù)集。

可微壓縮將通用的、可微的精度度量與可微量化相結(jié)合，得到可微壓縮的損失函數(shù)：

（等式2）第一個項是誤差，第二項是網(wǎng)絡(luò)大小的成本。B 是網(wǎng)絡(luò)的平均位深度，可根據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)的深度參數(shù)來計算：

（等式3）其中c_i是使用位深度參數(shù)B_i量化的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（權(quán)重或激活）的數(shù)量。請注意，此測量方式取決于批次大小。例如，如果對32個批次網(wǎng)絡(luò)進行評估，則激活張量的大小實際上比使用1 批次大小的高出 32 倍。如果目標(biāo)是將網(wǎng)絡(luò)權(quán)重存儲在盡可能小的空間中，則此指標(biāo)中也可以忽略激活。

選擇量化粒度一些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示，如谷歌的Q8A格式，允許將不同的比例系數(shù)（與上面的指數(shù)E的2次冪相關(guān)）應(yīng)用于權(quán)重張量（過濾器）的不同通道。這種更精細(xì)的粒度可提高給定壓縮級別的網(wǎng)絡(luò)精度。

通過對每個通道應(yīng)用單獨的 E 和α參數(shù)，同時對整個張量使用相同的 B 參數(shù)，可以通過可變位深度壓縮實現(xiàn)相同的目標(biāo)。然而，每個通道的量化會導(dǎo)致更慢的收斂，因此根據(jù)我們的經(jīng)驗，使用學(xué)習(xí)前張量參數(shù)的訓(xùn)練階段更快，然后將這些參數(shù)分解為每通道參數(shù)，并讓它們在另一個訓(xùn)練階段收斂。

這最終導(dǎo)致三個階段的訓(xùn)練計劃：

根據(jù)張量訓(xùn)練所有量化參數(shù)

切換到每通道指數(shù)和移位參數(shù)

將位深度舍入到整數(shù)，并將其固定到常量，然后訓(xùn)練指數(shù)和移位參數(shù)α。此外，權(quán)重也以較小的學(xué)習(xí)率進行訓(xùn)練。

結(jié)果對象分類

壓縮分類網(wǎng)絡(luò)的精確度。

圖像分割

應(yīng)用于分割網(wǎng)絡(luò)的不同壓縮方法之間的比較。第二個列基于啟發(fā)式算法，該算法試圖在不使用反向傳播的情況下確定固定位深度的最佳指數(shù)。

風(fēng)格轉(zhuǎn)換

最后一列使用上述啟發(fā)式給出10 比特時的完全空白輸出。

結(jié)論用于編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重和激活的位深度對推理性能有顯著影響。將大小精度權(quán)衡作為損失函數(shù)的一部分，可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中學(xué)習(xí)任意粒度的最佳比特深度。此外，當(dāng)優(yōu)化將 0 位分配給網(wǎng)絡(luò)的一部分時，它會有效地從架構(gòu)中刪除該部分，作為一種架構(gòu)搜索，從而降低計算成本和帶寬成本。今后的工作將探索這方面的可微網(wǎng)絡(luò)壓縮。我們提出了一種基于微分量化和蒸餾的通用而靈活的方法，允許在不影響精度的情況下為各種任務(wù)優(yōu)化位數(shù)。我們的方法有幾個優(yōu)點，包括訓(xùn)練時間短，重復(fù)使用訓(xùn)練過的網(wǎng)絡(luò)，不需要標(biāo)簽，可調(diào)整的大小精度權(quán)衡和問題無關(guān)的損失功能。通過這種方式，我們可以將網(wǎng)絡(luò)壓縮為有效的可變位深度表示，而不犧牲對原始浮點網(wǎng)絡(luò)的保真度。

［i］ https://blogs.nvidia.com/blog/2020/05/14/tensorfloat-32-精確格式/

［ii］https://www.tensorflow.org/lite/performance/quantization_spec

［iii］https://arxiv.org/abs/1905.12322

［iv］ https://arxiv.org/abs/1308.3432

［v］https://arxiv.org/abs/1503.02531

作者：Szabolcs Cséfalvay

原文鏈接：https://www.imaginationtech.com/blog/low-precision-inference-using-distillation/

編輯：jq