最近对深神经网络（DNN）效率的重点已导致了模型压缩方法的重要工作，其中重量修剪是最受欢迎的方法之一。同时，有快速增长的计算支持，以有效地执行通过修剪获得的非结构化模型。但是，大多数现有的修剪方法最小化仅剩余权重的数量，即模型的大小，而不是针对推理时间进行优化。我们通过引入SPDY来解决这一差距，SPDY是一种新的压缩方法，该方法会自动确定层次的稀疏性目标，可以在给定系统上实现所需的推理速度，同时最大程度地减少准确性损失。 SPDY由两种新技术组成：第一个是一种有效的动态编程算法，用于求解一组给定的层敏感性得分，以解决加速约束的层压缩问题；第二个是一个局部搜索程序，用于确定准确的层敏感性得分。跨流行视觉和语言模型的实验表明，SPDY可以保证相对于现有策略的恢复较高的准确性，无论是一次性和逐步修剪方案，并且与大多数现有的修剪方法兼容。我们还将方法扩展到了最近实施的修剪任务，几乎没有数据，在该数据中，我们在修剪GPU支持的2：4稀疏模式时实现了最著名的准确性恢复。

我们考虑在具有挑战性的训练后环境中，深度神经网络（DNN）的模型压缩问题，在该设置中，我们将获得精确的训练模型，并且必须仅基于少量校准输入数据而无需任何重新培训即可压缩它。鉴于新兴软件和硬件支持通过加速修剪和/或量化压缩的模型，并且已经针对两种压缩方法独立提出了良好的表现解决方案，因此该问题已变得流行。在本文中，我们引入了一个新的压缩框架，该框架涵盖了统一环境中的重量修剪和量化，时间和空间效率高，并且在现有的后训练方法的实际性能上大大改善。在技​​术层面上，我们的方法基于[Lecun，Denker和Solla，1990年]在现代DNN的规模上的经典最佳脑外科医生（OBS）框架的第一个精确实现，我们进一步扩展到覆盖范围。重量量化。这是通过一系列可能具有独立利益的算法开发来实现的。从实际的角度来看，我们的实验结果表明，它可以在现有后训练方法的压缩 - 准确性权衡方面显着改善，并且甚至可以在训练后进行修剪和量化的准确共同应用。

We show for the first time that large-scale generative pretrained transformer (GPT) family models can be pruned to at least 50% sparsity in one-shot, without any retraining, at minimal loss of accuracy. This is achieved via a new pruning method called SparseGPT, specifically designed to work efficiently and accurately on massive GPT-family models. When executing SparseGPT on the largest available open-source models, OPT-175B and BLOOM-176B, we can reach 60% sparsity with negligible increase in perplexity: remarkably, more than 100 billion weights from these models can be ignored at inference time. SparseGPT generalizes to semi-structured (2:4 and 4:8) patterns, and is compatible with weight quantization approaches.

有效地近似损失函数的局部曲率信息是用于深神经网络的优化和压缩的关键工具。然而，大多数现有方法近似二阶信息具有高计算或存储成本，这可以限制其实用性。在这项工作中，我们调查矩阵，用于估计逆象征的矢量产品（IHVPS）的矩阵线性时间方法，因为当Hessian可以近似为乘语 - 一个矩阵的总和时，如Hessian的经典近似由经验丰富的Fisher矩阵。我们提出了两个新的算法作为称为M-FAC的框架的一部分：第一个算法朝着网络压缩量身定制，如果Hessian给出了M $等级的总和，则可以计算Dimension $ D $的IHVP。 ，使用$ O（DM ^ 2）$预压制，$ O（DM）$代价计算IHVP，并查询逆Hessian的任何单个元素的费用$ O（m）$。第二算法针对优化设置，我们希望在反向Hessian之间计算产品，估计在优化步骤的滑动窗口和给定梯度方向上，根据预先说明的SGD所需的梯度方向。我们为计算IHVP和OHVP和O（DM + M ^ 3）$ of $ o（dm + m ^ 2）$提供算法，以便从滑动窗口添加或删除任何渐变。这两种算法产生最先进的结果，用于网络修剪和相对于现有二阶方法的计算开销的优化。在[9]和[17]可用实现。

深度神经网络（DNN）的计算要求增加导致获得稀疏，且准确的DNN模型的兴趣。最近的工作已经调查了稀疏训练的更加困难的情况，其中DNN重量尽可能稀少，以减少训练期间的计算成本。现有的稀疏训练方法通常是经验的，并且可以具有相对于致密基线的准确性较低。在本文中，我们介绍了一种称为交替压缩/解压缩（AC / DC）训练DNN的一般方法，证明了算法变体的收敛，并表明AC / DC在类似的计算预算中准确地表现出现有的稀疏训练方法;在高稀疏水平下，AC / DC甚至优于现有的现有方法，依赖于准确的预训练密集模型。 AC / DC的一个重要属性是它允许联合培训密集和稀疏的型号，在训练过程结束时产生精确的稀疏密集模型对。这在实践中是有用的，其中压缩变体可能是为了在资源受限的设置中进行部署而不重新执行整个训练流，并且还为我们提供了深入和压缩模型之间的精度差距的见解。代码可在：https://github.com/ist-daslab/acdc。

While machine learning is traditionally a resource intensive task, embedded systems, autonomous navigation, and the vision of the Internet of Things fuel the interest in resource-efficient approaches. These approaches aim for a carefully chosen trade-off between performance and resource consumption in terms of computation and energy. The development of such approaches is among the major challenges in current machine learning research and key to ensure a smooth transition of machine learning technology from a scientific environment with virtually unlimited computing resources into everyday's applications. In this article, we provide an overview of the current state of the art of machine learning techniques facilitating these real-world requirements. In particular, we focus on deep neural networks (DNNs), the predominant machine learning models of the past decade. We give a comprehensive overview of the vast literature that can be mainly split into three non-mutually exclusive categories: (i) quantized neural networks, (ii) network pruning, and (iii) structural efficiency. These techniques can be applied during training or as post-processing, and they are widely used to reduce the computational demands in terms of memory footprint, inference speed, and energy efficiency. We also briefly discuss different concepts of embedded hardware for DNNs and their compatibility with machine learning techniques as well as potential for energy and latency reduction. We substantiate our discussion with experiments on well-known benchmark datasets using compression techniques (quantization, pruning) for a set of resource-constrained embedded systems, such as CPUs, GPUs and FPGAs. The obtained results highlight the difficulty of finding good trade-offs between resource efficiency and predictive performance.

Structured channel pruning has been shown to significantly accelerate inference time for convolution neural networks (CNNs) on modern hardware, with a relatively minor loss of network accuracy. Recent works permanently zero these channels during training, which we observe to significantly hamper final accuracy, particularly as the fraction of the network being pruned increases. We propose Soft Masking for cost-constrained Channel Pruning (SMCP) to allow pruned channels to adaptively return to the network while simultaneously pruning towards a target cost constraint. By adding a soft mask re-parameterization of the weights and channel pruning from the perspective of removing input channels, we allow gradient updates to previously pruned channels and the opportunity for the channels to later return to the network. We then formulate input channel pruning as a global resource allocation problem. Our method outperforms prior works on both the ImageNet classification and PASCAL VOC detection datasets.

深度学习技术在各种任务中都表现出了出色的有效性，并且深度学习具有推进多种应用程序（包括在边缘计算中）的潜力，其中将深层模型部署在边缘设备上，以实现即时的数据处理和响应。一个关键的挑战是，虽然深层模型的应用通常会产生大量的内存和计算成本，但Edge设备通常只提供非常有限的存储和计算功能，这些功能可能会在各个设备之间差异很大。这些特征使得难以构建深度学习解决方案，以释放边缘设备的潜力，同时遵守其约束。应对这一挑战的一种有希望的方法是自动化有效的深度学习模型的设计，这些模型轻巧，仅需少量存储，并且仅产生低计算开销。该调查提供了针对边缘计算的深度学习模型设计自动化技术的全面覆盖。它提供了关键指标的概述和比较，这些指标通常用于量化模型在有效性，轻度和计算成本方面的水平。然后，该调查涵盖了深层设计自动化技术的三类最新技术：自动化神经体系结构搜索，自动化模型压缩以及联合自动化设计和压缩。最后，调查涵盖了未来研究的开放问题和方向。

转移学习是一种经典范式，通过该范式，在大型“上游”数据集上佩戴的模型适于在“下游”专业数据集中产生良好的结果。通常，据了解，“上游”数据集上的更准确的模型将提供更好的转移精度“下游”。在这项工作中，我们在想象的神经网络（CNNS）的背景下对这种现象进行了深入的调查，这些现象已经在想象的数据集上训练的情况下被修剪 - 这是通过缩小它们的连接来压缩。具体地，我们考虑使用通过应用几种最先进的修剪方法而获得的非结构化修剪模型的转移，包括基于幅度的，二阶，重新增长和正规化方法，在12个标准转移任务的上下文中。简而言之，我们的研究表明，即使在高稀稀物质，稀疏的型号也可以匹配或甚至优于致密模型的转移性能，并且在此操作时，可以导致显着的推论甚至培训加速度。与此同时，我们观察和分析不同修剪方法行为的显着差异。

我们研究了基于SGD的深神经网络（DNN）的优化是否可以适应高度准确且易于压缩的模型。我们提出了一种新的压缩意识的最小化器，称为CRAM，它以原则性的方式修改了SGD训练迭代，以产生在压缩操作（例如减肥或量化）下局部损失行为稳定的模型。标准图像分类任务的实验结果表明，CRAM产生的密集模型比标准SGD型基准线更准确，但在重量修剪下令人惊讶的是稳定的：例如，对于Imagenet上的Resnet50，CRAM训练的模型可能会损失到。他们的重量的70％一次性只有微小的精度损失。

重量修剪是一种有效的模型压缩技术，可以解决在移动设备上实现实时深神经网络（DNN）推断的挑战。然而，由于精度劣化，难以利用硬件加速度，以及某些类型的DNN层的限制，难以降低的应用方案具有有限的应用方案。在本文中，我们提出了一般的细粒度的结构化修剪方案和相应的编译器优化，适用于任何类型的DNN层，同时实现高精度和硬件推理性能。随着使用我们的编译器优化所支持的不同层的灵活性，我们进一步探讨了确定最佳修剪方案的新问题，了解各种修剪方案的不同加速度和精度性能。两个修剪方案映射方法，一个是基于搜索，另一个是基于规则的，建议自动推导出任何给定DNN的每层的最佳修剪规则和块大小。实验结果表明，我们的修剪方案映射方法，以及一般细粒化结构修剪方案，优于最先进的DNN优化框架，最高可达2.48 $ \ times $和1.73 $ \ times $ DNN推理加速在CiFar-10和Imagenet DataSet上没有准确性损失。

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。

Neural network pruning-the task of reducing the size of a network by removing parameters-has been the subject of a great deal of work in recent years. We provide a meta-analysis of the literature, including an overview of approaches to pruning and consistent findings in the literature. After aggregating results across 81 papers and pruning hundreds of models in controlled conditions, our clearest finding is that the community suffers from a lack of standardized benchmarks and metrics. This deficiency is substantial enough that it is hard to compare pruning techniques to one another or determine how much progress the field has made over the past three decades. To address this situation, we identify issues with current practices, suggest concrete remedies, and introduce ShrinkBench, an open-source framework to facilitate standardized evaluations of pruning methods. We use ShrinkBench to compare various pruning techniques and show that its comprehensive evaluation can prevent common pitfalls when comparing pruning methods.

Many applications require sparse neural networks due to space or inference time restrictions. There is a large body of work on training dense networks to yield sparse networks for inference, but this limits the size of the largest trainable sparse model to that of the largest trainable dense model. In this paper we introduce a method to train sparse neural networks with a fixed parameter count and a fixed computational cost throughout training, without sacrificing accuracy relative to existing dense-tosparse training methods. Our method updates the topology of the sparse network during training by using parameter magnitudes and infrequent gradient calculations. We show that this approach requires fewer floating-point operations (FLOPs) to achieve a given level of accuracy compared to prior techniques. We demonstrate state-of-the-art sparse training results on a variety of networks and datasets, including ResNet-50, MobileNets on Imagenet-2012, and RNNs on WikiText-103. Finally, we provide some insights into why allowing the topology to change during the optimization can overcome local minima encountered when the topology remains static * .

Network pruning is widely used for reducing the heavy inference cost of deep models in low-resource settings. A typical pruning algorithm is a three-stage pipeline, i.e., training (a large model), pruning and fine-tuning. During pruning, according to a certain criterion, redundant weights are pruned and important weights are kept to best preserve the accuracy. In this work, we make several surprising observations which contradict common beliefs. For all state-of-the-art structured pruning algorithms we examined, fine-tuning a pruned model only gives comparable or worse performance than training that model with randomly initialized weights. For pruning algorithms which assume a predefined target network architecture, one can get rid of the full pipeline and directly train the target network from scratch. Our observations are consistent for multiple network architectures, datasets, and tasks, which imply that: 1) training a large, over-parameterized model is often not necessary to obtain an efficient final model, 2) learned "important" weights of the large model are typically not useful for the small pruned model, 3) the pruned architecture itself, rather than a set of inherited "important" weights, is more crucial to the efficiency in the final model, which suggests that in some cases pruning can be useful as an architecture search paradigm. Our results suggest the need for more careful baseline evaluations in future research on structured pruning methods. We also compare with the "Lottery Ticket Hypothesis" (Frankle & Carbin, 2019), and find that with optimal learning rate, the "winning ticket" initialization as used in Frankle & Carbin (2019) does not bring improvement over random initialization. * Equal contribution. † Work done while visiting UC Berkeley.

彩票票证假设（LTH）表明，密集的模型包含高度稀疏的子网（即获奖门票），可以隔离培训以完全准确。尽管做出了许多激动人心的努力，但仍有一个“常识”很少受到挑战：通过迭代级修剪（IMP）发现了一张获胜的票，因此由此产生的修剪子网仅具有非结构化的稀疏性。这一差距限制了在实践中赢得门票的吸引力，因为高度不规则的稀疏模式在硬件上加速的挑战是挑战性的。同时，直接将结构化修剪替换为非结构化的修剪，以更严重地损害绩效，并且通常无法找到获胜的票。在本文中，我们证明了第一个积极的结果是，总体上可以有效地找到结构上稀疏的获胜票。核心思想是在每一轮（非结构化）IMP之后附加“后处理技术”，以实施结构稀疏的形成。具体而言，我们首先在某些被认为很重要的通道中“重新填充”修剪元素，然后“重新组”非零元素以创建灵活的群体结构模式。我们确定的渠道和团体结构子网都赢得了彩票，并以现有硬件很容易支持的大量推理加速。广泛的实验，在多个网络骨架的不同数据集上进行，一致验证了我们的建议，表明LTH的硬件加速障碍现在已被删除。具体而言，结构上的获胜票最多可获得{64.93％，64.84％，60.23％}的运行时间节省，以{36％〜80％，74％，58％}的稀疏性在{Cifar，cifar，tiny-imageNet，imageNet}上保持可比较的精度。代码在https://github.com/vita-group/structure-lth上。

深度神经网络（DNN）的记录断裂性能具有沉重的参数化，导致外部动态随机存取存储器（DRAM）进行存储。 DRAM访问的禁用能量使得在资源受限的设备上部署DNN是不普遍的，呼叫最小化重量和数据移动以提高能量效率。我们呈现SmartDeal（SD），算法框架，以进行更高成本的存储器存储/访问的较低成本计算，以便在推理和培训中积极提高存储和能量效率。 SD的核心是一种具有结构约束的新型重量分解，精心制作以释放硬件效率潜力。具体地，我们将每个重量张量分解为小基矩阵的乘积以及大的结构稀疏系数矩阵，其非零被量化为-2的功率。由此产生的稀疏和量化的DNN致力于为数据移动和重量存储而大大降低的能量，因为由于稀疏的比特 - 操作和成本良好的计算，恢复原始权重的最小开销。除了推理之外，我们采取了另一次飞跃来拥抱节能培训，引入创新技术，以解决培训时出现的独特障碍，同时保留SD结构。我们还设计专用硬件加速器，充分利用SD结构来提高实际能源效率和延迟。我们在不同的设置中对多个任务，模型和数据集进行实验。结果表明：1）应用于推理，SD可实现高达2.44倍的能效，通过实际硬件实现评估; 2）应用于培训，储存能量降低10.56倍，减少了10.56倍和4.48倍，与最先进的训练基线相比，可忽略的准确性损失。我们的源代码在线提供。

网络修剪是一种广泛使用的技术，用于有效地压缩深神经网络，几乎没有在推理期间在性能下降低。迭代幅度修剪（IMP）是由几种迭代训练和修剪步骤组成的网络修剪的最熟悉的方法之一，其中在修剪后丢失了大量网络的性能，然后在随后的再培训阶段中恢复。虽然常用为基准参考，但经常认为a）通过不将稀疏纳入训练阶段来达到次优状态，b）其全球选择标准未能正确地确定最佳层面修剪速率和c）其迭代性质使它变得缓慢和不竞争。根据最近提出的再培训技术，我们通过严格和一致的实验来调查这些索赔，我们将Impr到培训期间的训练算法进行比较，评估其选择标准的建议修改，并研究实际需要的迭代次数和总培训时间。我们发现IMP与SLR进行再培训，可以优于最先进的修剪期间，没有或仅具有很少的计算开销，即全局幅度选择标准在很大程度上具有更复杂的方法，并且只有几个刷新时期在实践中需要达到大部分稀疏性与IMP的诽谤 - 与性能权衡。我们的目标既可以证明基本的进攻已经可以提供最先进的修剪结果，甚至优于更加复杂或大量参数化方法，也可以为未来的研究建立更加现实但易于可实现的基线。

扩展培训工作负载的能力是深度学习的关键性能推动者之一。主要缩放方法是基于数据并行GPU的培训，该培训已经被硬件和软件支持高效地支持高效的GPU通信，特别是通过带宽过度曝光。此支持以A价格出现：相对于其“消费者级”对应物，“云级”服务器之间存在幅度成本差异，但相对于其“消费者级”对应物，虽然服务器级和消费者级GPU可以具有类似的计算信封。在本文中，我们调查了昂贵的硬件过度控制方法是否可以通过算法和系统设计所涵盖，并提出称为CGX的框架，为通信压缩提供有效的软件支持。我们认为，在没有硬件支持的情况下，该框架能够从消费者级多GPU系统中删除通信瓶颈：在没有硬件支持的情况下：在培训现代模型和全部准确性方面时，我们的框架可以在商品上进行2-3倍的自动加速系统使用8个消费者级NVIDIA RTX 3090 GPU，并使其超越NVIDIA DGX-1服务器的吞吐量，其具有类似的峰值闪光，但是从带宽过度提供的益处。

近年来，大型预训练的变压器网络已显示出许多自然语言理解任务的巨大改进。但是，由于延迟和成本限制，这些模型的巨大规模给他们的微调和在线部署带来了重大挑战。支持N：M半结构化的稀疏性和低精油整数计算的新硬件是提高DNN模型效率的有前途解决方案。但是，很少有研究系统地研究预先训练的变压器网络在多大程度上受益于这些技术的组合，以及如何最好地压缩变压器的每个组件。我们提出了一个灵活的压缩框架NXMiformer，该框架使用ADMM和基于Ste的QAT执行同时进行稀疏和量化。此外，我们介绍且廉价的启发式驱动搜索算法，该算法标识了满足压缩比约束的有希望的异质压缩配置。当通过NLU基准测试的胶水套件进行评估时，我们的方法可以达到BERT模型编码器的93％压缩，同时保留了98.2％的原始模型准确性并充分利用硬件功能。异质配置通过搜索启发式发现了基线准确性的99.5％，同时仍将模型压缩为87.5％。