神经网络量化能够在边缘设备上部署模型。对其硬件效率的基本要求是平衡器是硬件友好的：均匀，对称，以及两个阈值的功率。据我们所知，目前的训练后量化方法不同时支持所有这些约束。在这项工作中，我们引入了硬件友好的训练量化（HPTQ）框架，通过协同组合几种已知的量化方法来解决这个问题。我们对四个任务进行了大规模的研究：在各种网络架构上进行分类，对象检测，语义分割和姿势估计。我们广泛的实验表明，可以在硬件友好的限制下获得竞争结果。
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当量化神经网络以进行有效推断时，低位整数是效率的首选格式。但是，低位浮点数具有额外的自由度，分配了一些以指数级的工作。本文深入研究了神经网络推断的浮点格式的这种好处。我们详细介绍了可以为FP8格式做出的选择，包括对Mantissa和Exponent的位数的重要选择，并通过分析显示这些选择可以提供更好的性能。然后，我们展示了这些发现如何转化为真实网络，为FP8模拟提供有效的实现，以及一种新算法，该算法能够学习比例参数和FP8格式中的指数位数。我们的主要结论是，在对各种网络进行培训后量化时，就准确性而言，FP8格式优于INT8，并且指数位数量的选择是由网络中异常值的严重性驱动的。我们还通过量化感知训练进行实验，在训练网络以降低离群值的效果时，格式的差异消失。
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模型量化已成为加速深度学习推理的不可或缺的技术。虽然研究人员继续推动量化算法的前沿，但是现有量化工作通常是不可否认的和不可推销的。这是因为研究人员不选择一致的训练管道并忽略硬件部署的要求。在这项工作中，我们提出了模型量化基准（MQBench），首次尝试评估，分析和基准模型量化算法的再现性和部署性。我们为实际部署选择多个不同的平台，包括CPU，GPU，ASIC，DSP，并在统一培训管道下评估广泛的最新量化算法。 MQBENCK就像一个连接算法和硬件的桥梁。我们进行全面的分析，并找到相当大的直观或反向直观的见解。通过对齐训练设置，我们发现现有的算法在传统的学术轨道上具有大致相同的性能。虽然用于硬件可部署量化，但有一个巨大的精度差距，仍然不稳定。令人惊讶的是，没有现有的算法在MQBench中赢得每一项挑战，我们希望这项工作能够激发未来的研究方向。
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The rising popularity of intelligent mobile devices and the daunting computational cost of deep learning-based models call for efficient and accurate on-device inference schemes. We propose a quantization scheme that allows inference to be carried out using integer-only arithmetic, which can be implemented more efficiently than floating point inference on commonly available integer-only hardware. We also co-design a training procedure to preserve end-to-end model accuracy post quantization. As a result, the proposed quantization scheme improves the tradeoff between accuracy and on-device latency. The improvements are significant even on MobileNets, a model family known for run-time efficiency, and are demonstrated in ImageNet classification and COCO detection on popular CPUs.
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网络量化显着降低了模型推理复杂性，并且已广泛用于现实世界部署。然而，大多数现有量化方法已经开发并主要测试并测试卷积神经网络（CNN），并且当应用于基于变压器的架构时遭受严重的降级。在这项工作中，我们提出了一种系统方法，以降低量化变压器的性能下降和推理复杂性。特别是，我们提出了两种规模（PTS）的权力以以硬件友好的方式处理LAbernorm输入的严重频道间变化。此外，我们提出了可以维持注意力映射的极端不均匀分布的log-int-softmax（LIS），同时通过使用4位量化和比特速度操作员简化推断。关于各种变压器的架构和基准测试的综合实验表明，我们的方法在使用Leference Maps中使用甚至更低的位宽度时，我们的方法始终以前的性能。例如，我们在Imagenet上达到85.17％的高精度，51.4地图与Coco上的级联面罩R-CNN（Swin-S）。据我们所知，我们是第一个在完全量化的视觉变压器上实现可比准确性降级（〜1％）的最初。代码可在https://github.com/linyang-zhh/fq-vit使用。
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卷积神经网络（CNN）的量化是缓解CNN部署的计算负担，尤其是在低资源边缘设备上的常见方法。但是，对于神经网络所涉及的计算类型，固定点算术并不是自然的。在这项工作中，我们探索了使用基于PDE的观点和分析来改善量化CNN的方法。首先，我们利用总变化方法（电视）方法将边缘意识平滑应用于整个网络的特征图。这旨在减少值分布的异常值并促进零件恒定图，这更适合量化。其次，我们考虑用于图像分类的常见CNN的对称和稳定变体，以及用于图源分类的图形卷积网络（GCN）。我们通过几个实验证明，正向稳定性的性质保留了在不同量化速率下网络的作用。结果，稳定的量化网络的行为与非量化的网络相似，即使它们依赖于较少的参数。我们还发现，有时，稳定性甚至有助于提高准确性。对于敏感，资源受限，低功率或实时应用（例如自动驾驶），这些属性特别感兴趣。
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量化浮点重量和深度卷积神经网络的激活到定点表示产生降低的存储器占用尺寸和推理时间。最近，努力已经进入零拍量量，不需要原始未标记的训练样本给定任务。这些最佳发布的作品依赖于学习批量归一化（BN）参数来推断出量化的激活范围。特别地，这些方法是基于经验估计框架或数据蒸馏方法而构建的，用于计算激活的范围。然而，当呈现不容纳BN层的网络时，这种方案的性能严重降低。在这一思路中，我们提出了广泛的零拍量化（GZSQ）框架，既不需要原始数据也不依赖于BN层统计。我们利用了数据蒸馏方法并仅利用模型的预先训练的重量来估计激活的范围校准的丰富数据。据我们所知，这是利用预制权重的分布以协助零射量量化的过程。拟议的计划显着优于现有的零点工程，例如，MobileNetv2的分类准确性的提高〜33％，以及各种任务的其他一些型号。我们还展示了拟议的工作跨多个开源量化框架的功效。重要的是，我们的作品是第一次尝试训练未来派零击中量化的零击中量化的深度神经网络。
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It has been witnessed that learned image compression has outperformed conventional image coding techniques and tends to be practical in industrial applications. One of the most critical issues that need to be considered is the non-deterministic calculation, which makes the probability prediction cross-platform inconsistent and frustrates successful decoding. We propose to solve this problem by introducing well-developed post-training quantization and making the model inference integer-arithmetic-only, which is much simpler than presently existing training and fine-tuning based approaches yet still keeps the superior rate-distortion performance of learned image compression. Based on that, we further improve the discretization of the entropy parameters and extend the deterministic inference to fit Gaussian mixture models. With our proposed methods, the current state-of-the-art image compression models can infer in a cross-platform consistent manner, which makes the further development and practice of learned image compression more promising.
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当通过模拟量化训练神经网络时，我们观察到，量化的权重可以意外地在两个网格点之间振荡。这种效果的重要性及其对量化感知培训（QAT）的影响并未在文献中得到充分理解或研究。在本文中，我们更深入地研究了重量振荡现象，并表明由于推理过程中错误估计的批次纳入统计量和训练期间的噪声增加，它可能导致明显的准确性降解。这些效果在低位（$ \ leq $ 4位）的高效网络中尤其明显，具有深度可分开的层，例如mobilenets和效率网络。在我们的分析中，我们研究了一些先前提出的QAT算法，并表明其中大多数无法克服振荡。最后，我们提出了两种新型的QAT算法来克服训练期间的振荡：振荡衰减和迭代重量冻结。我们证明，我们的算法对于低位（3＆4位）的重量（3＆4位）的最新精度以及有效体系结构的激活量化，例如MobilenetV2，MobilenetV3和Imagenet上的EfficentNet-Lite。我们的源代码可在{https://github.com/qualcomm-ai-research/oscillations-qat}上获得。
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数据剪辑对于降低量化操作中的噪声和提高量化感知训练（QAT）的准确性至关重要。当前的实践依靠启发式方法来设置剪接阈值标量，不能证明是最佳的。我们提出了最佳的剪切张量和向量（octav），这是一种递归算法，以确定MSE最佳的剪切标量。 OCTAV源自Fast Newton-Raphson方法，在QAT例程的每一个迭代中，都可以随时发现最佳的剪切标量。因此，QAT算法在每个步骤中都具有可证明的最小量化噪声配制。此外，我们揭示了QAT中常见梯度估计技术的局限性，并提出了幅度感知的分化，以进一步提高准确性。在实验上，启用了八度的QAT在多个任务上实现了最先进的精度。其中包括在ImageNet上进行训练，并在ImageNet上进行重新注册和Mobilenets，以及使用BERT模型进行微调，其中启用八叶速度的QAT始终以低精度（4到6位）保持准确性。我们的结果不需要对基线训练配方进行任何修改，除了在适当的情况下插入量化操作。
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混合精确的深神经网络达到了硬件部署所需的能源效率和吞吐量，尤其是在资源有限的情况下，而无需牺牲准确性。但是，不容易找到保留精度的最佳每层钻头精度，尤其是在创建巨大搜索空间的大量模型，数据集和量化技术中。为了解决这一困难，最近出现了一系列文献，并且已经提出了一些实现有希望的准确性结果的框架。在本文中，我们首先总结了文献中通常使用的量化技术。然后，我们对混合精液框架进行了彻底的调查，该调查是根据其优化技术进行分类的，例如增强学习和量化技术，例如确定性舍入。此外，讨论了每个框架的优势和缺点，我们在其中呈现并列。我们最终为未来的混合精液框架提供了指南。
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我们向开放的神经网络交换（ONNX）中间表示格式提出扩展，以表示任意量化的量化神经网络。我们首先通过利用整数剪辑来引入对现有基于ONX的量化格式低精度量化的支持，从而产生了两个新的向后兼容的变体：带有剪辑和量化clip-dequantize（QCDQ）格式的量化运算符格式。然后，我们引入了一种新型的高级ONNX格式，称为量化ONNX（QONNX），该格式介绍了三个新运算符 - Quant，Biporlquant和Trunc，以表示均匀的量化。通过保持QONNX IR高级和灵活性，我们可以针对更广泛的平台。我们还介绍了与QONNX合作的实用程序，以及其在FINN和HLS4ML工具链中使用的示例。最后，我们介绍了QONNX模型动物园，以共享低精确的量化神经网络。
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由于神经网络变得更加强大，因此在现实世界中部署它们的愿望是一个上升的愿望;然而，神经网络的功率和准确性主要是由于它们的深度和复杂性，使得它们难以部署，尤其是在资源受限的设备中。最近出现了神经网络量化，以满足这种需求通过降低网络的精度来降低神经网络的大小和复杂性。具有较小和更简单的网络，可以在目标硬件的约束中运行神经网络。本文调查了在过去十年中开发的许多神经网络量化技术。基于该调查和神经网络量化技术的比较，我们提出了该地区的未来研究方向。
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量化被疯狂地作为模型压缩技术，该技术通过将神经网络中的浮点重量和激活转换为低位整数来获得有效的模型。量化已被证明可以很好地在卷积神经网络和基于变压器的模型上运行。尽管这些模型具有符合性的典型性，但最近的工作表明，基于MLP的模型能够在从计算机视觉，NLP到3D点云等各种任务上取得可比的结果，同时由于并行性和网络简单性，可以实现更高的吞吐量。但是，正如我们在论文中所显示的那样，将量化直接应用于基于MLP的模型将导致明显的准确性降解。基于我们的分析，两个主要问题说明了准确性差距：1）基于MLP的模型中的激活范围可能太大而无法量化，而2）基于MLP的模型中的特定组件对量化很敏感。因此，我们建议1）应用分层以控制激活的量化范围，2）使用有界的激活功能，3）在激活上应用百分位量化，4）使用我们的改进的模块，称为多个令牌混合MLP，5）应用线性态度敏感操作的不对称量化器。我们的Q-MLP模型配备了上述技术，可以使用8位均匀量化（型号30 MB）和78.47％的Imagenet获得79.68％的精度，而4位量化（15 MB）。
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量化是一种降低DNN模型的计算和记忆成本的技术，DNN模型越来越大。现有的量化解决方案使用固定点整数或浮点类类型，这些量子的好处有限，因为两者都需要更多位以保持原始型号的准确性。另一方面，可变长度量化使用低位量化对正常值和高精度的分数对异常值的一部分。即使这项工作带来了算法的好处，但由于长度的编码和解码，它也引入了重要的硬件开销。在这项工作中，我们提出了一种称为ANT的固定长度自适应数值数据类型，以通过微小的硬件开销实现低位量化。我们的数据类型ANT利用了两项关键创新来利用DNN模型中的张贴内和调整的自适应机会。首先，我们提出了一种特定的数据类型Flint，该数据类型结合了Float和INT的优势，以适应张量中不同值的重要性。其次，我们提出了一个自适应框架，该框架根据其分布特性选择每个张量的最佳类型。我们为蚂蚁设计了统一的处理元件体系结构，并显示其与现有DNN加速器的易于集成。我们的设计导致2.8 $ \ times $速度和2.5 $ \ times $ $ $ $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $比最先进的量化加速器提高了能源效率。
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我们为深神经网络引入了两个低位训练后训练量化（PTQ）方法，该方法满足硬件要求，并且不需要长期重新训练。两次量化的能力可以将通过量化和去除化引入的乘法转换为许多有效加速器采用的位移位。但是，两次量表因子的候选值较少，这会导致更多的舍入或剪辑错误。我们提出了一种新型的两个PTQ框架，称为RAPQ，该框架被动态调整了整个网络的两个尺度，而不是静态地确定它们一层。从理论上讲，它可以权衡整个网络的舍入错误和剪辑错误。同时，RAPQ中的重建方法基于每个单元的BN信息。对Imagenet的广泛实验证明了我们提出的方法的出色性能。没有铃铛和哨声，REPQ在RESNET-18和MOBILENETV2上的准确度可以达到65％和48％，分别具有INT2激活INT4的精度。我们是第一个为低位PTQ提出更受限制但对硬件友好型的两次量化方案的人，并证明它可以达到与SOTA PTQ方法几乎相同的准确性。该代码已发布。
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Although weight and activation quantization is an effective approach for Deep Neural Network (DNN) compression and has a lot of potentials to increase inference speed leveraging bit-operations, there is still a noticeable gap in terms of prediction accuracy between the quantized model and the full-precision model. To address this gap, we propose to jointly train a quantized, bit-operation-compatible DNN and its associated quantizers, as opposed to using fixed, handcrafted quantization schemes such as uniform or logarithmic quantization. Our method for learning the quantizers applies to both network weights and activations with arbitrary-bit precision, and our quantizers are easy to train. The comprehensive experiments on CIFAR-10 and ImageNet datasets show that our method works consistently well for various network structures such as AlexNet, VGG-Net, GoogLeNet, ResNet, and DenseNet, surpassing previous quantization methods in terms of accuracy by an appreciable margin. Code available at https://github.com/Microsoft/LQ-Nets
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胶囊网络（CAPSNET）是图像处理的新兴趋势。与卷积神经网络相反，CAPSNET不容易受到对象变形的影响，因为对象的相对空间信息在整个网络中保存。但是，它们的复杂性主要与胶囊结构和动态路由机制有关，这使得以其原始形式部署封闭式以由小型微控制器（MCU）供电的设备几乎是不合理的。在一个智力从云到边缘迅速转移的时代，这种高复杂性对在边缘的采用capsnets的采用构成了严重的挑战。为了解决此问题，我们提出了一个API，用于执行ARM Cortex-M和RISC-V MCUS中的量化capsnet。我们的软件内核扩展了ARM CMSIS-NN和RISC-V PULP-NN，以用8位整数作为操作数支持胶囊操作。随之而来的是，我们提出了一个框架，以执行CAPSNET的训练后量化。结果显示，记忆足迹的减少近75％，准确性损失范围从0.07％到0.18％。在吞吐量方面，我们的ARM Cortex-M API可以分别在仅119.94和90.60毫秒（MS）的中型胶囊和胶囊层执行（STM32H7555ZIT6U，Cortex-M7 @ 480 MHz）。对于GAP-8 SOC（RISC-V RV32IMCXPULP @ 170 MHz），延迟分别降至7.02和38.03 ms。
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量化图像超分辨率的深卷积神经网络大大降低了它们的计算成本。然而，现有的作品既不患有4个或低位宽度的超低精度的严重性能下降，或者需要沉重的微调过程以恢复性能。据我们所知，这种对低精度的漏洞依赖于特征映射值的两个统计观察。首先，特征贴图值的分布每个通道和每个输入图像都变化显着变化。其次，特征映射具有可以主导量化错误的异常值。基于这些观察，我们提出了一种新颖的分布感知量化方案（DAQ），其促进了超低精度的准确训练量化。 DAQ的简单功能确定了具有低计算负担的特征图和权重的动态范围。此外，我们的方法通过计算每个通道的相对灵敏度来实现混合精度量化，而无需涉及任何培训过程。尽管如此，量化感知培训也适用于辅助性能增益。我们的新方法优于最近的培训甚至基于培训的量化方法，以超低精度为最先进的图像超分辨率网络。
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模型二进制化是一种压缩神经网络并加速其推理过程的有效方法。但是，1位模型和32位模型之间仍然存在显着的性能差距。实证研究表明，二进制会导致前进和向后传播中的信息损失。我们提出了一个新颖的分布敏感信息保留网络（DIR-NET），该网络通过改善内部传播和引入外部表示，将信息保留在前后传播中。 DIR-NET主要取决于三个技术贡献：（1）最大化二进制（IMB）的信息：最小化信息损失和通过重量平衡和标准化同时同时使用权重/激活的二进制误差； （2）分布敏感的两阶段估计器（DTE）：通过共同考虑更新能力和准确的梯度来通过分配敏感的软近似来保留梯度的信息； （3）代表性二进制 - 意识蒸馏（RBD）：通过提炼完整精确和二元化网络之间的表示来保留表示信息。 DIR-NET从统一信息的角度研究了BNN的前进过程和后退过程，从而提供了对网络二进制机制的新见解。我们的DIR-NET中的三种技术具有多功能性和有效性，可以在各种结构中应用以改善BNN。关于图像分类和客观检测任务的综合实验表明，我们的DIR-NET始终优于主流和紧凑型体系结构（例如Resnet，vgg，vgg，EfficityNet，darts和mobilenet）下最新的二进制方法。此外，我们在现实世界中的资源有限设备上执行DIR-NET，该设备可实现11.1倍的存储空间和5.4倍的速度。
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