深度网络数据编码新突破，上交大SPARK登上计算机体系结构顶会

随着深度神经网络（DNNs）模型在规模和复杂性上的迅速增长，传统的神经网络处理方法面临着严峻的挑战。现有的神经网络压缩技术在处理参数规模大、精度要求高的神经网络模型时效率低下，无法满足现有应用的需求。

数值量化是神经网络模型压缩的一种有效手段。在模型推理过程中，低位宽（比特）数据的存取和计算可以大幅度节省存储空间、访存带宽与计算负载，从而降低推理延迟和能耗。当前，大多数量化技术的位宽在 8bit。更为激进的量化算法，必须要修改硬件的操作粒度与数据流特征，才能在真实推理时获得接近理论的收益。比如混合精度量化，激活数据的量化等方案。一方面，这些方案会显式增加 book-keeping 存储开销和硬件逻辑，使得实际收益下降 [1,2,3]。另一方面，一些方案利用分布特征对量化范围和粒度做约束，来减小上述硬件开销 [4,5]。但其精度损失也受到不同模型和参数分布的影响，无法满足现有应用的需求。

为此，本文的研究者提出了 SPARK 技术，一种可扩展细粒度混合精度编码的软硬件协同设计。

其核心优势如下：

• 固有比特冗余：SPARK 不对模型进行压缩，而是剔除数据表示中固有的比特冗余，与现有的压缩方案正交，可以协同使用。

• 变长编码方案：SPARK 创新了变长数据表示格式，有效压缩模型大小，不需要增加额外的 book-keeping（如 index 等）代价（如硬件，访问与更新延迟）。该编码方案对模型参数与激活值同样适用。

• 硬件兼容性：SPARK 不需要修改硬件加速器微架构（如：脉动阵列），不会引入额外的设计复杂性，可行性较高。

• 平衡精度与效率：在大型模型中，SPARK 通过其高效的编码机制，不仅提升了处理速度，还精确地保持了模型的准确性。与其他同类型加速器相比平均获得了 4.65 倍的加速，降低了 74.7% 的能耗。

研究动机

本工作源于对模型参数与激活值分布的观察分析：由于权重和激活的分布成长尾型，量化后的数据仍会保持该分布，呈现高位稀疏的特性。具体的，按 INT8 精度量化后的模型参数中，80% 左右的数据都可以用 INT4 表示，只有一小部分较重要的值需要高位宽存储，如图 1 所示。

^{图 1 不同网络中 INT4 范围内数据和 INT8 范围内数据的比例}

为了利用数据表示中固有的比特冗余，作者提出了 SPARK—— 一种可变长度的编码方案，通过引入一位指示符和新颖的编解码模式来支持混合精度。这种编码方案电路设计简单，而且维持存储对齐。

主要方法

在 SPARK 中，本工作只简单地用最高位作为指示符区分高 / 低精度数据，而不同于其他分离尾数域和指数域的复杂编码策略。同时，模型训练时就可以模拟该编码行为，而不用进行训练后微调来补偿由量化带来的精度损失。

编码方案及电路设计

该工作以 INT8 量化为例，每个数据为 8bit unsigned 整型。原始数据的编码表示为（b₀ , b₁ , b₂ , b₃ , b₄ , b₅ , b₆ , b₇），具体的编码原则如图 2 所示。

1. 当原编码中只有b₄ - b₇ 这低 4 位包含非零有效位时，直接进行低精度无损编码，缩短为 4bit，其中最高位 C4 是指示符位，设为 0。

2. 当原编码中 b₀-b₃ 这高 4 位也包含非零有效位时，进行高精度编码。其中，最高位 c0 为指示符位，设为 1。之后，视 b₀ 异或 b₃ 的结果，决定是否进行有损近似编码或无损编码。

当然，该工作也可以更激进地舍弃这些 fixed bit 进一步压缩存储容量与带宽，但需要在解码阶段把 fixed bit 填补后再将 8bit 数据送入计算单元。这会增加一些解码器的硬件开销。

^{图 2 SPARK 编码对于不同范围的原数据的应用}

硬件上实现该编码器只需要用到零检测器，多路选择器和异或门等熟知的硬件模块，具体电路设计如图 3 所示：输入 8bit 的原始数据，b₀ ~ b₄ 先经过一个 5bit 的零检测器，判定该输入编码为高 / 低精度，如果编码为低精度则直接输出 b₄ , b₅ , b₆ , b₇，若编码为高精度，则根据公式 1 和公式 2 分情况编码。

^{图 3  SPARK 方案的编码器电路设计}

解码方案及电路设计

本工作设计了一个硬件友好的解码方案，下面将阐述如何将编码转换为十进制值。首先，本工作假定大端序存储（Big Endian），解码时输入位宽为 4bit，使能信号 1 位。

解码器电路需要的硬件模块为熟知的多路选择器，或门和非门。具体实现如图 4 所示，解码器每个周期读入 4bit 数据和使能信号。

当使能信号为 1，则指该输入是高精度值得后半部分编码；当使能信号为 0 时，若 c0 = 0，则判定输入是低精度值直接输出 c0c1c2c3 为解码值，若 c0 = 1 则根据 c3 判定将指示符位作为数值位计算。公式 3 阐述了具体的判定规则，图 4 是解码器的电路设计图。

^{图 4  SPARK 方案的解码器设计}

整体架构

SPARK 可以与常用的张量运算核心（脉动阵列，乘加树等）很好的兼容。如图 5 所示，解码器放置在 weight buffer 与 PE 之间，在参数灌入 PE 阵列之前解码；同样也放置在 Activation Buffer 与 PE 之间，在激活值灌入 PE 阵列之前解码。编码则分为两部分。对于参数的编码可以离线进行，在 DRAM 中直接存储已经编码压缩后的参数。在线硬件编码器则放置在 PE 计算完产生 Activation 之后。

若要进一步挖掘计算效率上的提升，则可以设计一个常见的混合位宽运算单元（SPARK PE Unit），支持两个 8bit 操作数的 MAC 操作，或者 2 对 4 个 4bit 操作数的 MAC 操作。

^{图 5 SPARK 整体架构图}

实验结果

文章使用 CNN-based 和 attention-based 的模型簇进行实验，在 ImageNet 数据集上测试了 VGG-16，ResNet-18，ResNet-50 网络，在 GLUE 数据集上测试 BERT-based 模型，以及 ViT 模型。与 SPARK 进行对比的 baseline 架构有：Eyeriss [6], BitFusion [7], OLAccel [1], ANT [8], Olive [9]。

模型准确性评估

在 ImageNet 数据集上，和原始的 FP32 模型相比，SPARK 上的平均准确率损失大约为 0.1%，对于 attention-based 的模型，SPARK 获得了更好的准确性（+0.6%）。表 1 和表 2 展示了准确性评估的结果。

^{表 1 SPARK 和其他没有微调的架构在精度损失和平均存储位宽上的比较}

^{表 2  SPARK 和其他架构在 SST-2 数据集上测试 BERT 的精度损失和位宽比较}

性能和能耗评估

执行效率上，图 5 展示了不同加速器在六个网络上的执行效率对比。和其他架构相比，SPARK 最多获得了 4.65 倍的加速，在 ResNet-50 网络上，SPARK 有 80.1% 的明显性能提升。

^{图 5 不同架构设计的延迟比较}

能耗上，图 6 展示了不同架构的 DRAM，BUFFER，CORE 的能耗贡献在 5 个网络上的比较结果。对于 ResNet-50，SPARK 最多下降了 74.7%。

^{图 6 不同架构设计的能耗比较}

结语

SPARK 利用数据表示中的比特冗余，结合高效的编解码方案，使得 AI 模型在保证精度需求的情况下，利用本就存在的比特稀疏，这对于计算、存储、传输都带来了巨大的开销节省。在处理越来越大的模型时，SPARK 展现出了其独特的优势。它不仅能够处理大规模数据，还能在精度极其敏感的场景下保持高效率。这一点对于现在 AI 应用尤为关键，如自动驾驶、医学诊断和语言处理等。

在未来，这套编码方法还可以进一步扩展到交换芯片，存储盘控芯片等关键位置，用于优化 AI 数据中心的通信瓶颈。

这一工作由上海交大先进计算机体系结构实验室蒋力教授课题组（IMPACT）完成，同时也获得了上海期智研究院的支持。第一作者是刘方鑫教授与博士生杨宁。

^参考文献

^{[1] Park, Eunhyeok, Dongyoung Kim, and Sungjoo Yoo. "Energy-efficient neural network accelerator based on outlier-aware low-precision computation." 2018 ACM/IEEE 45th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA). IEEE, 2018.}

^{[2] Zadeh, Ali Hadi, et al. "Gobo: Quantizing attention-based nlp models for low latency and energy efficient inference." 2020 53rd Annual IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture (MICRO). IEEE, 2020.}

^{[3] Guo, Cong, et al. "OliVe: Accelerating Large Language Models via Hardware-friendly Outlier-Victim Pair Quantization." Proceedings of the 50th Annual International Symposium on Computer Architecture. 2023.}

^{[4] Song, Zhuoran, et al. "Drq: dynamic region-based quantization for deep neural network acceleration." 2020 ACM/IEEE 47th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA). IEEE, 2020.}

^{[5] Jain, Shubham, et al. "BiScaled-DNN: Quantizing long-tailed datastructures with two scale factors for deep neural networks." Proceedings of the 56th Annual Design Automation Conference 2019.} 

^{[6] Y. -H. Chen, T. Krishna, J. S. Emer and V. Sze, "Eyeriss: An Energy-Efficient Reconfigurable Accelerator for Deep Convolutional Neural Networks," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 52, no. 1, pp. 127-138, Jan. 2017.}

^{[7] H. Sharma et al., "Bit Fusion: Bit-Level Dynamically Composable Architecture for Accelerating Deep Neural Network," 2018 ACM/IEEE 45th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA), Los Angeles, CA, USA, 2018, pp. 764-775.}

^{[8] C. Guo et al., "ANT: Exploiting Adaptive Numerical Data Type for Low-bit Deep Neural Network Quantization," 2022 55th IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture (MICRO), Chicago, IL, USA, 2022, pp. 1414-1433.}

^{[9] Guo, Cong et al. “OliVe: Accelerating Large Language Models via Hardware-friendly Outlier-Victim Pair Quantization,” In Proceedings of International Symposium on Computer Architecture (ISCA), 2023}