TensorFlow模型優(yōu)化：模型量化

1. 模型量化需求

為了滿足各種 AI 應(yīng)用對(duì)檢測(cè)精度的要求，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的寬度、層數(shù)、深度以及各類參數(shù)等數(shù)量急速上升，導(dǎo)致深度學(xué)習(xí)模型占用了更大的存儲(chǔ)空間，需要更長(zhǎng)的推理時(shí)延，不利于工業(yè)化部署；目前的模型都運(yùn)行在 CPU，GPU，FPGA，ASIC 等四類芯片上，芯片的算力有限；對(duì)于邊緣設(shè)備上的芯片而言，在存儲(chǔ)、內(nèi)存、功耗及時(shí)延性方面有許多限制，推理效率尤其重要。

作為通用的深度學(xué)習(xí)優(yōu)化的手段之一，模型量化將深度學(xué)習(xí)模型量化為更小的定點(diǎn)模型和更快的推理速度，而且?guī)缀醪粫?huì)有精度損失，其適用于絕大多數(shù)模型和使用場(chǎng)景。此外，模型量化解鎖了定點(diǎn)硬件(Fixed-point hardware) 和下一代硬件加速器的處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)相同時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)模型推理功能，硬件價(jià)格只有原來(lái)的幾十分之一，尤其是 FPGA，用硬件電路去實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)推理功能，時(shí)延是各類芯片中最低的。

TensorFlow 模型優(yōu)化工具包是一套能夠優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)模型以便于部署和執(zhí)行的工具。該工具包用途很多，其中包括支持用于以下方面的技術(shù)：

通過(guò)模型量化等方式降低云和邊緣設(shè)備（例如移動(dòng)設(shè)備和 IoT 設(shè)備）的延遲時(shí)間和推斷成本。將優(yōu)化后的模型部署到邊緣設(shè)備，這些設(shè)備在處理、內(nèi)存、耗電量、網(wǎng)絡(luò)連接和模型存儲(chǔ)空間方面存在限制。在現(xiàn)有硬件或新的專用加速器上執(zhí)行模型并進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)您的任務(wù)選擇模型和優(yōu)化工具：

利用現(xiàn)成模型提高性能在很多情況下，預(yù)先優(yōu)化的模型可以提高應(yīng)用的效率。

2. 模型量化過(guò)程

大家都知道模型是有權(quán)重 (w) 和偏置 (b) 組成，其中 w，b 都是以 float32 存儲(chǔ)的，float32 在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)時(shí)占 32bit，int8 在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)時(shí)占 8bit；模型量化就是用 int8 等更少位數(shù)的數(shù)據(jù)類型來(lái)代替 float32 表示模型的權(quán)重 (w) 和偏置 (b) 的過(guò)程，從而達(dá)到減少模型尺寸大小、減少模型內(nèi)存消耗及加快模型推理速度等目標(biāo)。

模型量化以損失推理精度為代價(jià)，將網(wǎng)絡(luò)中連續(xù)取值或離散取值的浮點(diǎn)型參數(shù)（權(quán)重 w 和輸入 x）線性映射為定點(diǎn)近似 (int8/uint8) 的離散值，取代原有的 float32 格式數(shù)據(jù)，同時(shí)保持輸入輸出為浮點(diǎn)型，從而達(dá)到減少模型尺寸大小、減少模型內(nèi)存消耗及加快模型推理速度等目標(biāo)。定點(diǎn)量化近似表示卷積和反卷積如下圖 所示，左邊是原始權(quán)重 float32 分布，右邊是原始權(quán)重 float32 經(jīng)過(guò)量化后又反量化后權(quán)重分布。

圖 2.1 Int8 量化近似表示卷積

圖 2.2 Int8 量化近似表示反卷積

3. 模型量化好處

減小模型尺寸，如 8 位整型量化可減少 75% 的模型大?。?/p>

減少存儲(chǔ)空間，在邊緣側(cè)存儲(chǔ)空間不足時(shí)更具有意義；

減少內(nèi)存耗用，更小的模型大小意味著不需要更多的內(nèi)存；

加快推理速度，訪問(wèn)一次 32 位浮點(diǎn)型可以訪問(wèn)四次 int8 整型，整型運(yùn)算比浮點(diǎn)型運(yùn)算更快；CPU 用 int8 計(jì)算的速度更快

減少設(shè)備功耗，內(nèi)存耗用少了推理速度快了自然減少了設(shè)備功耗；

支持微處理器，有些微處理器屬于 8 位的，低功耗運(yùn)行浮點(diǎn)運(yùn)算速度慢，需要進(jìn)行 8bit 量化。

某些硬件加速器如 DSP/NPU 只支持 int8

4. 模型量化原理

模型前向推理過(guò)程中所有的計(jì)算都可以簡(jiǎn)化為 x= w*x +b; x 是輸入，也叫作 FeatureMap，w 是權(quán)重，b 是偏置；實(shí)際過(guò)程中 b 對(duì)模型的推理結(jié)果影響不大，一般丟棄。原本 w，x 是 float32，現(xiàn)在使用 int8 來(lái)表示為 qw,qx；模型量化的原理就是定點(diǎn) (qw qx) 與浮點(diǎn) (w,x)，建立了一種有效的數(shù)據(jù)映射關(guān)系.。不僅僅量化權(quán)重 W ，輸入 X 也要量化；詳解如下：

R 表示真實(shí)的浮點(diǎn)值（w 或者 x），

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