人工智能引发的图像分类算法

作者：Quenton Hall，赛灵思公司工业、视觉、医疗及科学市场的 AI 系统架构师

在上一篇文章中，我们简要介绍了更高层次的问题，这些问题为优化加速器的需求奠定了基础。作为一个尖锐的问题提醒，现在让我们通过一个非常简单的图像分类算法，来看一看与之相关联的计算成本与功耗。

利用 Mark Horowitz 提供的数据点，我们可以考虑图像分类器在不同空间限制下的相对功耗。虽然您会注意到 Mark 的能耗估计是针对 45nm 节点的，但业界专家建议，这些数据点将继续按当前的半导体工艺尺寸进行调整。也就是说，无论工艺尺寸是 45nm 还是 16nm，与 FP32 运算相比，INT8 运算的能量成本仍然低一个数量级。

数据来源：Bill Dally（斯坦福），Cadence 嵌入式神经网络峰会，2017 年 2 月 1 日

功耗可按以下方式进行计算：

功耗 = 能量(J)/运算*运算/s

从这个等式中我们可以看出，只有两种方法能够降低功耗：要么减少执行特定运算所需的功耗，要么减少运算的次数，或者一起减少。

对于我们的图像分类器，我们将选择ResNet50作为一个目标。ResNet 提供了近乎最先进的图像分类性能，同时与众多具有类似性能的可比网络相比，它所需的参数（权重）更少，这便是它的另一大优势。

为了部署 ResNet50，我们每次推断必须大约 77 亿运算的算力。这意味着，对于每一幅我们想要分类的图像，我们将产生 7.7 * 10E9 的“计算成本”。

现在，让我们考虑一个相对高容量的推断应用，在该应用中，我们可能希望每秒对 1000 幅图像进行分类。坚持沿用 Mark 的 45nm 能量估算，我们得出以下结论：

功耗 = 4pJ + 0.4pJ/运算*7.7B运算/图像 * 1000图像/s = 33.88W

作为创新的第一维度，我们可以将网络从 FP32 量化到 8 位整数运算。这将功耗降低了一个数量级以上。虽然在训练期间 FP32 的精度有利于反向传输，但它在像素数据的推断时间几乎没有创造价值。大量研究和论文已经表明，在众多应用中，可以分析每一层的权重分布并对该分布进行量化，同时将预量化的预测精度保持在非常合理的范围内。

此外，量化研究还表明，8 位整数值对于像素数据来说是很好的“通用”解决方案，并且对于典型网络的许多内层，可以将其量化到 3-4 位，而在预测精度上损失最小。由 Michaela Blott 领导的赛灵思研究实验室团队多年来一直致力于二进制神经网络 (BNN) 的研究与部署，并取得了一些令人瞩目的成果。（如需了解更多信息，请查看 FINN 和 PYNQ）

如今，我们与DNNDK的重点是将网络推断量化至 INT8。现代赛灵思 FPGA 中的单个 DSP 片可以在单个时钟周期内计算两个 8 位乘法运算，这并非巧合。在 16nm UltraScale+ MPSoC 器件系列中，我们拥有超过 15 种不同的器件变型，从数百个 DSP 片扩展到数千个 DSP 片，同时保持应用和/OS 兼容性。16nm DSP 片的最大 fCLK 峰值为 891MHz。因此，中型 MPSoC 器件是功能强大的计算加速器。

现在，让我们考虑一下从 FP32 迁移到 INT8 的数学含义：

功耗 = 0.2pJ+0.03pJ/运算*7.7B运算/图像*1000图像/s = 1.771W

Mark 在演讲中，提出了一个解决计算效率问题的方法，那就是使用专门构建的专用加速器。他的观点适用于机器学习推断。

上述分析没有考虑到的是，我们还将看到 FP32 的外部 DDR 流量至少减少四倍。正如您可能预料到的那样，与外部存储器访问相关的功耗成本比内部存储器高得多，这也是事实。如果我们简单地利用 Mark 的数据点，我们会发现访问 DRAM 的能量成本大约是 1.3-2.6nJ，而访问 L1 存储器的能量成本可能是 10-100pJ。看起来，与访问内部存储器（如赛灵思 SoC 中发现的 BlockRAM 和 UltraRAM）的能量成本相比，外部 DRAM 访问的能量成本至少高出一个数量级。

除了量化所提供的优势以外，我们还可以使用网络剪枝技术来减少推断所需的计算工作负载。使用赛灵思Vitis AI 优化器工具，可以将在 ILSCVR2012（ImageNet 1000 类）上训练的图像分类模型的计算工作负载减少 30-40%，精度损失不到 1%。再者，如果我们减少预测类的数量，我们可以进一步增加这些性能提升。现实情况是，大多数现实中的图像分类网络都是在有限数量的类别上进行训练的，这使得超出这种水印的剪枝成为可能。作为参考，我们其中一个经过剪枝的 VGG-SSD 实现方案在四个类别上进行训练，需要 17 个 GOP（与原始网络需要 117 个 GOP 相比），在精度上没有损失！谁说 VGG 没有内存效率？

然而，如果我们简单地假设我们在 ILSCVR2012 上训练我们的分类器，我们发现我们通常可以通过剪枝减少大约 30% 的计算工作负载。考虑到这一点，我们得出以下结论：

功耗 = 0.2pJ+0.03pJ/运算*7.7B运算/图像0.7*1000图像/s = 1.2397W

将此值与 FP32 推断的原始估计值 33.88W 进行比较。

虽然这种分析没有考虑到多种变量（混合因素），但显然存在一个重要的优化机会。因此，当我们继续寻找遥遥无期的“解决计算饱和的灵丹妙药”时，考虑一下吴恩达断言“AI 是新电能”的背景。我认为他并不是在建议 AI 需要更多的电能，只是想表明 AI 具有极高的价值和巨大的影响力。所以，让我们对 ML 推断保持冷静的头脑。对待机器学习推断应保持冷静思考，既不必贸然跟风，也无需针对高性能推断设计采用液态冷却散热。

在本文的第三篇中我们还将就专门构建的“高效”神经网络模型的使用以及如何在赛灵思应用中利用它们来实现更大的效率增益进行讨论。

编辑：hfy