知識蒸餾_輕量化模型架構_剪枝…幾種深度學習模

總結：前端壓縮幾乎不改變原有網(wǎng)絡結構（僅僅只是在原模型基礎上減少了網(wǎng)絡的層數(shù)或者濾波器個數(shù)），后端壓縮對網(wǎng)絡結構有不可逆的大幅度改變，造成原有深度學習庫、甚至硬件設備不兼容改變之后的網(wǎng)絡。其維護成本很高。

工業(yè)界主流的模型壓縮方法有：知識蒸餾（Knowledge Distillation，KD）輕量化模型架構（也叫緊湊的模型設計）、剪枝（Pruning）、量化（Quantization）。各個模型壓縮方法總結如下：

一個復雜模型可由多個簡單模型或者強約束條件訓練得到。復雜模型特點是性能好，但其參數(shù)量大，計算效率低。小模型特點是計算效率高，但是其性能較差。知識蒸餾是讓小模型去擬合大模型，從而讓小模型學到與大模型相似的函數(shù)映射。使其保持其快速的計算速度前提下，同時擁有復雜模型的性能，達到模型壓縮的目的。模型蒸餾的關鍵在于監(jiān)督特征的設計，例如使用 Soft Target（軟標簽 KD） 所提供的類間相似性作為依據(jù)，或使用大模型的中間層特征圖或 attention map 作為暗示，對小網(wǎng)絡進行訓練。整體的框架圖如圖下所示。

關于如何手動設計輕量級網(wǎng)絡的研究，目前還沒有廣泛通用的準則，只有一些指導思想，和針對不同芯片平臺（不同芯片架構）的一些設計總結，建議大家從經(jīng)典論文中吸取指導思想和建議，然后自己實際做各個硬件平臺的部署和模型性能測試。

1. 分析模型的推理性能得結合具體的推理平臺（常見如：英偉達 GPU、移動端 ARM CPU、端側(cè) NPU 芯片等）；目前已知影響 CNN 模型推理性能的因素包括: 算子計算量 FLOPs（參數(shù)量 Params）、卷積 block 的內(nèi)存訪問代價（訪存帶寬）、網(wǎng)絡并行度等。但相同硬件平臺、相同網(wǎng)絡架構條件下， FLOPs 加速比與推理時間加速比成正比。
2. 建議對于輕量級網(wǎng)絡設計應該考慮直接 metric（例如速度 speed），而不是間接 metric（例如 FLOPs）。
3. FLOPs 低不等于 latency 低，尤其是在有加速功能的硬體 (GPU、DSP 與 TPU)上不成立，得結合具硬件架構具體分析。
4. 不同網(wǎng)絡架構的 CNN 模型，即使是 FLOPs 相同，但其 MAC 也可能差異巨大。
5. Depthwise 卷積操作對于流水線型 CPU、ARM 等移動設備更友好，對于并行計算能力強的 GPU 和具有加速功能的硬件（專用硬件設計-NPU 芯片）上比較沒有效率。Depthwise 卷積算子實際上是使用了大量的低 FLOPs、高數(shù)據(jù)讀寫量的操作。因為這些具有高數(shù)據(jù)讀寫量的操作，再加上多數(shù)時候 GPU 芯片算力的瓶頸在于訪存帶寬，使得模型把大量的時間浪費在了從顯存中讀寫數(shù)據(jù)上，從而導致 GPU 的算力沒有得到“充分利用”。結論來源知乎文章-FLOPs與模型推理速度和論文 G-GhostNet。

1. 在大多數(shù)的硬件上，channel 數(shù)為 16 的倍數(shù)比較有利高效計算。如海思 351x 系列芯片，當輸入通道為 4 倍數(shù)和輸出通道數(shù)為 16 倍數(shù)時，時間加速比會近似等于 FLOPs 加速比，有利于提供 NNIE 硬件計算利用率。(來源海思 351X 芯片文檔和 MobileDets 論文)
2. 低 channel 數(shù)的情況下 (如網(wǎng)路的前幾層)，在有加速功能的硬件使用普通 convolution 通常會比 separable convolution 有效率。（來源 MobileDets 論文）
3. shufflenetv2 論文 提出的四個高效網(wǎng)絡設計的實用指導思想: G1同樣大小的通道數(shù)可以最小化 MAC、G2-分組數(shù)太多的卷積會增加 MAC、G3-網(wǎng)絡碎片化會降低并行度、G4-逐元素的操作不可忽視。
4. GPU 芯片上3×3 卷積非常快，其計算密度（理論運算量除以所用時間）可達1×1 和5×5 卷積的四倍。（來源 RepVGG 論文）
5. 從解決梯度信息冗余問題入手，提高模型推理效率。比如 CSPNet 網(wǎng)絡。
6. 從解決 DenseNet 的密集連接帶來的高內(nèi)存訪問成本和能耗問題入手，如 VoVNet 網(wǎng)絡，其由 OSA（One-Shot Aggregation，一次聚合）模塊組成。

在閱讀和理解經(jīng)典的輕量級網(wǎng)絡 mobilenet 系列、MobileDets、shufflenet 系列、cspnet、vovnet、repvgg 等論文的基礎上，做了以下總結：

1. 低算力設備-手機移動端 cpu 硬件，考慮 mobilenetv1(深度可分離卷機架構-低 FLOPs)、低 FLOPs 和 低MAC的shuffletnetv2（channel_shuffle 算子在推理框架上可能不支持）
2. 專用 asic 硬件設備-npu 芯片（地平線 x3/x4 等、海思 3519、安霸cv22 等），分類、目標檢測問題考慮 cspnet 網(wǎng)絡(減少重復梯度信息)、repvgg2（即 RepOptimizer: vgg 型直連架構、部署簡單）
3. 英偉達 gpu 硬件-t4 芯片，考慮 repvgg 網(wǎng)絡（類 vgg 卷積架構-高并行度有利于發(fā)揮 gpu 算力、單路架構省顯存/內(nèi)存，問題: INT8 PTQ 掉點嚴重）

MobileNet block (深度可分離卷積 block, depthwise separable convolution block)在有加速功能的硬件（專用硬件設計-NPU 芯片）上比較沒有效率。

這個結論在 CSPNet 和 MobileDets 論文中都有提到。

除非芯片廠商做了定制優(yōu)化來提高深度可分離卷積 block 的計算效率，比如地平線機器人 x3 芯片對深度可分離卷積 block 做了定制優(yōu)化。

下表是 MobileNetv2 和 ResNet50 在一些常見 NPU 芯片平臺上做的性能測試結果。

以上，均是看了輕量級網(wǎng)絡論文總結出來的一些不同硬件平臺部署輕量級模型的經(jīng)驗，實際結果還需要自己手動運行測試。

深度學習模型中一般存在著大量冗余的參數(shù)，將權重矩陣中相對“不重要”的權值剔除（即置為 0），可達到降低計算資源消耗和提高實時性的效果，而對應的技術則被稱為模型剪枝。

圖片來源論文Han et al. Learning both Weights and Connections for Efficient Neural Networks, NIPS 2015

剪枝算法步驟：

1. 正常訓練模型；
2. 模型剪枝；
3. 重新訓練模型

以上三個步驟反復迭代進行，直到模型精度達到目標，則停止訓練。

模型剪枝算法根據(jù)粒度的不同，可以粗分為4種粒度：

1. 細粒度剪枝(fine-grained)：對連接或者神經(jīng)元進行剪枝，它是粒度最小的剪枝。
2. 向量剪枝(vector-level)：它相對于細粒度剪枝粒度更大，屬于對卷積核內(nèi)部(intra-kernel)的剪枝。
3. 核剪枝(kernel-level)：去除某個卷積核，它將丟棄對輸入通道中對應計算通道的響應。
4. 濾波器剪枝(Filter-level)：對整個卷積核組進行剪枝，會造成推理過程中輸出特征通道數(shù)的改變。

模型量化是指將神經(jīng)網(wǎng)絡的浮點算法轉(zhuǎn)換為定點。量化有一些相似的術語，低精度（Low precision）可能是常見的。

模型量化過程可以分為兩部分：將模型從 FP32 轉(zhuǎn)換為 INT8（即量化算術過程），以及使用 INT8 進行推理。

在實踐中將浮點模型轉(zhuǎn)為量化模型的方法有以下三種方法：

1. data free：不使用校準集，傳統(tǒng)的方法直接將浮點參數(shù)轉(zhuǎn)化成量化數(shù)，使用上非常簡單，但是一般會帶來很大的精度損失，但是高通最新的論文 DFQ 不使用校準集也得到了很高的精度。
2. calibration：基于校準集方案，通過輸入少量真實數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。很多芯片廠商都提供這樣的功能，如 tensorRT、高通、海思、地平線、寒武紀
3. finetune：基于訓練 finetune 的方案，將量化誤差在訓練時仿真建模，調(diào)整權重使其更適合量化。好處是能帶來更大的精度提升，缺點是要修改模型訓練代碼，開發(fā)周期較長。

按照量化階段的不同，量化方法分為以下兩種：

目前已知的加快推理速度概率較大的量化方法主要有：

1. 二值化，其可以用簡單的位運算來同時計算大量的數(shù)。對比從 nvdia gpu 到 x86 平臺，1bit 計算分別有 5 到128倍的理論性能提升。且其只會引入一個額外的量化操作，該操作可以享受到 SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）的加速收益。
2. 線性量化(最常見)，又可細分為非對稱，對稱和 ristretto 幾種。在 nvdia gpu，x86、arm 和 部分 AI 芯片平臺上，均支持 8bit 的計算，效率提升從 1 倍到 16 倍不等，其中 tensor core 甚至支持 4bit計算，這也是非常有潛力的方向。線性量化引入的額外量化/反量化計算都是標準的向量操作，因此也可以使用 SIMD 進行加速，帶來的額外計算耗時不大。
3. 對數(shù)量化，一種比較特殊的量化方法。兩個同底的冪指數(shù)進行相乘，那么等價于其指數(shù)相加，降低了計算強度。同時加法也被轉(zhuǎn)變?yōu)樗饕嬎恪Ｄ壳?nvdia gpu，x86、arm 三大平臺上沒有實現(xiàn)對數(shù)量化的加速庫，但是目前已知海思 351X 系列芯片上使用了對數(shù)量化。

1. 一般情況下，參數(shù)剪枝，特別是非結構化剪枝，能大大壓縮模型大小，且不容易丟失分類精度。對于需要穩(wěn)定的模型分類的應用，非結構化剪枝成為首要選擇。
2. 如果需要一次性端對端訓練得到壓縮與加速后模型，可以利用基于緊性濾波設計的深度神經(jīng)網(wǎng)絡壓縮與加速方法。
3. 影響神經(jīng)網(wǎng)絡推理速度主要有 4 個因素：FLOPs、MAC、計算并行度、硬件平臺架構與特性（算力、GPU內(nèi)存帶寬）。

1. 深度學習模型壓縮與加速
2. Deep Compression: Compressing Deep Neural Networks with Pruning, Trained Quantization and Huffman Coding

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