FPGA和ASIC在大模型推理加速中的應(yīng)用

今天我們再來看一篇論文。

隨著現(xiàn)在AI的快速發(fā)展，使用FPGA和ASIC進行推理加速的研究也越來越多，從目前的市場來說，有些公司已經(jīng)有了專門做推理的ASIC，像Groq的LPU，專門針對大語言模型的推理做了優(yōu)化，因此相比GPU這種通過計算平臺，功耗更低、延遲更小，但應(yīng)用場景比較單一，在圖像/視頻方向就沒有優(yōu)勢了。

整個AI的工業(yè)界，使用FPGA的目前還比較少，但學(xué)術(shù)界其實一直在用FPGA做很多的嘗試，比如通過簡化矩陣運算，使FPGA可以更好的發(fā)揮其優(yōu)勢。

今天看的這篇論文，是一篇關(guān)于FPGA和ASIC在大模型推理加速和優(yōu)化方向的綜述，我們看下目前的研究進展。

Introduction

Transformer模型在自然語言處理（NLP）、計算機視覺和語音識別等多個領(lǐng)域都取得了顯著的成就。特別是，這些模型在機器翻譯、文本分類、圖像分類和目標(biāo)檢測等任務(wù)中表現(xiàn)出色。Transformer模型需要比傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）更多的參數(shù)和計算操作。例如，Transformer-B模型包含1.1億參數(shù)，執(zhí)行21.78億次浮點運算，而Vision Transformer (ViT)-B模型包含8600萬參數(shù)，執(zhí)行16.85億次浮點運算。

GPU的局限性：

盡管GPU在加速大型深度學(xué)習(xí)模型方面發(fā)揮了主要作用，但它們的高功耗限制了在邊緣環(huán)境中的適用性。因此，大多數(shù)大型深度學(xué)習(xí)模型在GPU服務(wù)器環(huán)境中處理，給數(shù)據(jù)中心帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。

FPGA和ASIC的優(yōu)勢：

FPGA和ASIC在并行處理、設(shè)計靈活性和功耗效率方面具有優(yōu)勢，被用作各種深度學(xué)習(xí)模型的專用加速平臺。通過壓縮和設(shè)計優(yōu)化技術(shù)，可以優(yōu)化FPGA和ASIC上的加速器性能，如吞吐量和功耗效率。

該論文對FPGA和ASIC基于Transformer的加速器的最新發(fā)展進行全面回顧，探索適合于FPGA/ASIC的模型壓縮技術(shù)，以及對最新的FPGA和ASIC加速器的性能進行比較。

研究背景

論文中這部分內(nèi)容比較長，對Transformer模型和Vision Transformer (ViT)模型的進行了詳細(xì)介紹，包括它們的基本組件、不同的模型變體以及它們在計算上的特點，包含了很多理論部分，有興趣的讀者可以看原文，我只總結(jié)一下大概的內(nèi)容。

Transformer模型主要由編碼器（Encoder）和解碼器（Decoder）組成。編碼器處理輸入序列生成上下文向量，而解碼器使用編碼器的上下文向量和前一步的輸出標(biāo)記來生成下一步的標(biāo)記。編碼器和解碼器的核心操作模塊包括多頭自注意力（MHSA）和前饋網(wǎng)絡(luò)（FFN）。通過MHSA，Transformer能夠訓(xùn)練 token 之間的全局上下文信息，從而實現(xiàn)高精度?；赥ransformer架構(gòu)的也有不同的模型，如BERT、GPT等，他們的預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)方法也均有不同。這些模型在不同的NLP任務(wù)中表現(xiàn)出色，但大型模型如GPT-3由于參數(shù)眾多，難以在FPGA或ASIC上實現(xiàn)。

Vision Transformer (ViT)是針對計算機視覺任務(wù)提出的Transformer模型，主要用于圖像分類。與原始Transformer架構(gòu)不同，ViT只使用編碼器，并且在編碼器之前進行LayerNorm操作。ViT通過將輸入圖像分割成固定大小的patches，然后通過線性投影生成Transformer輸入tokens。ViT的編碼器操作和圖像分類任務(wù)的執(zhí)行方式也有詳細(xì)說明?；赩iT架構(gòu)也有多種模型變體，如DeiT、Swin Transformer和TNT，這些模型通過不同的方式改進了ViT，例如通過知識蒸餾、層次結(jié)構(gòu)和窗口機制、以及改進的patch嵌入方法來提高性能。

Transformer模型壓縮

要想在FPGA/ASIC上應(yīng)用Transformer，肯定需要對模型進行改進，要讓算法對硬件實現(xiàn)更加的友好。目前有常用的方式:

量化（Quantization）：

量化是將模型的參數(shù)和激活值從通常的32位浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為低精度數(shù)據(jù)格式（如INT8或INT4）的過程。這樣做可以有效減少內(nèi)存需求，同時加快計算速度并降低功耗。比如線性量化的過程，并通過量化感知訓(xùn)練（QAT）或后訓(xùn)練量化（PTQ）來恢復(fù)因量化而可能損失的準(zhǔn)確性。還可以通過優(yōu)化權(quán)重和激活值的量化策略來實現(xiàn)高壓縮比和最小的準(zhǔn)確性損失。

剪枝（Pruning）：

剪枝是通過識別并移除模型中不重要的參數(shù)來減少模型大小的方法。剪枝可以基于不同的粒度，如細(xì)粒度、標(biāo)記剪枝、頭部剪枝和塊剪枝。結(jié)構(gòu)化剪枝（如標(biāo)記、頭部和塊剪枝）會改變模型結(jié)構(gòu)，而無結(jié)構(gòu)化剪枝（如細(xì)粒度剪枝）則保留了模型結(jié)構(gòu)，但可能導(dǎo)致內(nèi)存利用效率低下。合理的Pruning可以在內(nèi)存效率和準(zhǔn)確性之間找到平衡點來實現(xiàn)SOTA性能。

硬件友好的全整數(shù)算法（Hardware-friendly fully-integer algorithm）：

Transformer模型中的非線性操作（如Softmax和GeLU）需要高精度的浮點運算，這在FPGA或ASIC硬件上難以高效實現(xiàn)。為了解決這個問題，研究者們提出了一些近似算法和量化技術(shù)，以便在硬件上以整數(shù)形式處理這些非線性函數(shù)，從而減少對浮點運算的需求。

硬件加速器設(shè)計優(yōu)化

在這一節(jié)，論文中詳細(xì)探討了針對FPGA和ASIC平臺的Transformer模型加速器的各種優(yōu)化技術(shù)。其實這一節(jié)的內(nèi)容跟上一節(jié)是一個道理，都是在講如何讓大模型算法更好的適應(yīng)FPGA/ASIC的平臺。論文中也是花了很大的篇幅對每一個優(yōu)化方法做了詳細(xì)分析，這里我也只是總結(jié)一下論文中使用到的優(yōu)化方法，具體的內(nèi)容還是建議有興趣的讀者看原文。

稀疏性（Sparsity）

計算優(yōu)化（Computing Optimization）

內(nèi)存優(yōu)化（Memory Optimization）

硬件資源優(yōu)化（Hardware Resource Optimization）

芯片面積優(yōu)化（Chip Area Optimization）

軟硬件協(xié)同設(shè)計（Hardware-Software Co-design）

這些優(yōu)化技術(shù)都可以幫助提高加速器的性能，降低功耗，并實現(xiàn)更高效的Transformer模型推理。

性能比較

這一部分主要是對基于FPGA和ASIC的Transformer加速器的性能進行了分析和比較。

FPGA加速器性能比較：

下面這個表，展示了不同的加速器模型使用在數(shù)據(jù)格式、工作頻率、功耗、吞吐量（GOPS）、推理速度（FPS）以及所使用的FPGA資源（如DSP、LUT、FF和BRAM）的統(tǒng)計。

對于基于FPGA的加速器，分析的這些指標(biāo)都是FPGA芯片的關(guān)鍵資源。

可以看到，這些模型其實都有各自的優(yōu)勢和劣勢，某些設(shè)計可能在吞吐量上有優(yōu)勢，而其他設(shè)計可能在能效比或推理速度上有優(yōu)勢。

ASIC加速器性能比較：

下面這個表是不同模式在數(shù)據(jù)格式、工作頻率、制造工藝、芯片面積、功耗、吞吐量以及片上內(nèi)存大小的統(tǒng)計。

對于ASIC加速器，性能比較則側(cè)重于諸如芯片面積和技術(shù)節(jié)點等ASIC設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)。這些因素影響著ASIC芯片的成本、能耗以及計算效率。

Further work

在前面的幾節(jié)中，論文中調(diào)研了不同模型在FPGA/ASIC上的性能比較，本節(jié)作者提出了當(dāng)前FPGA和ASIC基Transformer加速器研究的一些潛在方向和未來趨勢。

復(fù)雜任務(wù)的加速器：

除了傳統(tǒng)的分類任務(wù)外，檢測和分割等更復(fù)雜的任務(wù)對計算能力的要求更高。學(xué)術(shù)界正在探索如何通過剪枝和優(yōu)化來降低這些任務(wù)所需的能量消耗。

異構(gòu)計算平臺：

異構(gòu)平臺也是目前非?；鸬囊粋€方向，如何將CPU、GPU、FPGA和ASIC集成到一個平臺上，以利用每種處理器的優(yōu)勢。這種異構(gòu)架構(gòu)可以提高吞吐量，降低延遲，并提高能源效率。

混合網(wǎng)絡(luò)性能提升：

結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和Transformer的混合網(wǎng)絡(luò)正在受到關(guān)注。

調(diào)度算法和通信協(xié)議：

為了充分利用異構(gòu)計算平臺的潛力，需要開發(fā)高效的調(diào)度算法和通信協(xié)議，優(yōu)化處理器之間的數(shù)據(jù)流，減少瓶頸，提高整體性能。

硬件-軟件協(xié)同設(shè)計：

軟硬件協(xié)同設(shè)計方法可以進一步優(yōu)化Transformer模型的加速。通過迭代模擬和優(yōu)化，可以找到最佳的硬件和軟件配置，以實現(xiàn)最低的延遲和最高的能效。

新應(yīng)用和模型的開發(fā)：

隨著新技術(shù)的發(fā)展，如擴散模型和LLM，需要開發(fā)新的應(yīng)用和模型來利用這些技術(shù)。這可能涉及到開發(fā)新的硬件加速器，以支持這些模型的特定計算需求。

其實論文中講了這么多，我最關(guān)心的還是商業(yè)的部署，GPU的功耗就決定了它的應(yīng)用場景不會特別廣，像邊緣計算設(shè)備，基本告別那種大功耗的GPU，F(xiàn)PGA/ASIC在這方面就會顯得有優(yōu)勢。但目前來看，除了上面提到的LPU，現(xiàn)在ASIC已經(jīng)在很多場景使用用于做一些“小模型”的推理任務(wù)，像現(xiàn)在比較火的AI PC，AI手機，都是在端側(cè)運行參數(shù)量較小的大模型，但FPGA在AI 端側(cè)的應(yīng)用還任重而道遠(yuǎn)。