ニューラルネットワークの量子化手法の紹介

ニューラルネットワークにおける量子化とLLMや混合精度などの最近のトピックに関して紹介します。

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1. AI 2023.09.07 Kamesawa Ryosuke GO株式会社 ニューラルネットの 量子化手法の紹介 1
2. AI 亀澤諒亮 Kamesawa Ryosuke - AI創薬 @DeNA (2018-2019) - DRIVE CHART @GO Inc. (2019-) - AIモデルのデバイス組み込み - MLOps - モデル高速化、軽量化 自己紹介 2
3. AI 3 TOC 01｜量子化とは 02｜対応しているフレームワーク 03｜最近のトピック
4. AI 4 浮動小数点数 (float) の代わりに低ビット整数を使うことで モデルを軽量化、高速化 (省電力化) する手法 ニューラルネットの量子化とは (unquantized float value) (quantized int value) s: scale, z: zero point, q min , q max : 量子化された値の値域
5. AI 5 量子化誤差によって推論精度が劣化するデメリット ニューラルネットの量子化とは s: scale, z: zero point, q min , q max : 量子化された値の値域 (unquantized float value) (quantized int value)
6. AI 6 何を - Weight - Activation 何に - IntN (N=2,3,4,8,16, etc.) - Ternary / Binary - 混合精度 量子化のバリエーション どの粒度で - Layer-wise - Channel-wise - Token-wise どうやって - 学習後量子化 (PTQ, Post Training Quantization) - 量子化を意識した学習 (QAT, Quantization-Aware Training)
7. AI 7 - Weight only - 演算時 - Floatに戻して計算 [Zhou+ '17] - 計算は効率化されない - 量子化したまま [Lin+ '23] - ハードウェアの対応やカーネルの実装が必要 - Weight + Activation - 全て整数演算で完結できる[Jacob+ '18] 何を量子化するか
8. AI 8 - IntN - N=8 (byte) が最も一般的でどのHWでも利用可能 - N<8の場合は高速化を目的とするならHWに依存 - 圧縮だけが目的ならソフトウェアでやればよい - Ternary (-1, 0, +1) / Binary (-1, 1) - 量子化の極端なケース - Int4, Int8と比べると全く別のアプローチが必要 [Lin+ '17] - 混合精度 (mixed precision) - レイヤーごとに適切なフォーマット（ビット幅）を選択 何に量子化するか
9. AI 9 同じ量子化パラメータ（スケール、ゼロ点）を適用する範囲 - Layer-wise - ネットワークのレイヤーごと - Channel-wise - チャンネルごと - チャネル数倍量子化パラメータは増えるが 正確に量子化できる - Token-wise - トークンごとに動的に量子化パラメータを計算 - Transformer系のactivationで使われる どの粒度で量子化するか
10. AI 10 - 学習後量子化 (PTQ, Post Training Quantization) - 学習済みのモデルに対して量子化を行う - 量子化パラメータ（スケールとゼロ点）の計算 - データ (weight, activation) の分布から適切な値を決定する - スケールが小さい→表現できる範囲が小さいが範囲内では正確 - スケールが大きい→表現できる範囲は大きいが範囲内でも誤差が大きい - e.g. Min/Max [Krishnamoorthi '18] , L2 loss minimization [Nagel+ '21] どうやって量子化するか
11. AI 11 - 学習後量子化 (PTQ, Post Training Quantization) - static or dynamic quantization - static: activationの量子化パラメータを事前に決定(calibration) - 主にCNNで使われる - 比較的外れ値が少ない - dynamic: activationの量子化パラメータをforward時に決定 - transformerで使われる - 外れ値の影響が大きい - staticな場合は事前にcalibration dataを用意して activationの分布を取得する - Data-free な手法もある [Qian+ '23] [Liu+ '23] [Nagel+ '19] どうやって量子化するか
12. AI 12 - 量子化を意識した学習 (QAT, Quantization-Aware Training) - backpropを通して重みの量子化まで行う - 通常の学習後のfine-tuningとして行うのが一般的 - Quantization simulation (straight through estimator) - forward時に量子化シミュレーションを行い、backwardはそのまま どうやって量子化するか [Gholami+ '22]
13. AI 13 量子化に対応しているフレームワーク
14. AI 14 量子化に対応しているフレームワーク
15. AI 15 - PTQ (static, dynamic) - TensorFlowからTFLiteに変換する過程で量子化 - QAT - TensorFlow (keras)で量子化シミュレーションしたモデルで fine-tune後にTFLiteに変換 - EdgeTPU, HexagonDSPに対応 - static quantization が必須 TensorFlow Lite Quantization
16. AI 16 - PTQ (static, dynamic) / QAT (static) をサポート - 2種類の仕組み - Eager Mode Quantization - 量子化Opを自分でネットワークに組み込む必要がある - FX Graph Mode Quantization - 量子化Opの自動挿入、自動Op Fusion - prototypeなのでAPIはすぐ変わるかも？ - ONNXへのexportはサポートされていないので 外部ツールに頼る必要がある - Floatに戻してexport後、再量子化 PyTorch Quantization
17. AI 17 Qualcommが開発しているモデル軽量化ツールキット - モバイルへのデプロイを前提とした量子化 - static (full-interger) quantization - PyTorch, TensorFlow上でのPTQ/QAT - 精度劣化を改善する手法が実装 - Cross Layer Equalization [Nagel+ '19] - PTQでのchannel間での分布の違いを減らす - AdaRound [Nagel+ '20] - PTQでFloatからIntへの丸めの方向を最適化 （最近接への丸めが最適とは限らない） AIMET Quantization
18. AI 18 ベンチマーク (TFLite) https://www.tensorflow.org/lite/performance/model_optimization
19. AI 19 最近のトピック
20. AI 20 - Dynamic PTQが多い - メモリアクセスがボトルネック - モデルサイズも大きいのでQATが難しい - Weightは3, 4bit程度まで量子化可能 [Frantar+ '22] - 外れ値の影響が大きい [Dettmers+ '22] - 外れ値だけfloat [Dettmers+ '22] - activationをchannelごとにスケール、シフト [Wei+ '23] [Lin+ '23] [Xiao+ '23] - 量子化でfine-tuneも効率化 [Dettmers+ '23] [Kim+ '23] - 量子化に対応した実装も出てきている - https://github.com/ggerganov/llama.cpp LLMへの応用
21. AI 21 手法の自由度にHWが追いついてきつつある → 混合精度で精度劣化と圧縮率のトレードオフを探る - Sensitivity analysis+ 貪欲（二部探索） [Schaefer+ '23] [Pandey+ '23] - 各レイヤーで量子化フォーマットを変えたときの影響を測定 - 強化学習で組み合わせを探索 [Wang+ '19] - 学習時間が膨大 - 量子化精度（ビット幅）自体を微分可能に [Koryakovskiy+, '23] [Wu+ '18] 混合精度
22. AI 22 - ニューラルネットの量子化: FloatをIntに置き換えることで精度を犠牲に モデル圧縮と高速化を図る手法 - PyTorchやTensorFlowでも利用可能 - ハードウェアによる制約は大きい - Out-of-the-boxで使えるようになってきている - 最近のトピック - LLMへの応用 - 混合精度 まとめ
23. AI 23 ▪ Jacob, Benoit, et al. "Quantization and training of neural networks for efficient integer-arithmetic-only inference." Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2018. ▪ Zhou, Aojun, et al. "Incremental network quantization: Towards lossless cnns with low-precision weights." arXiv preprint arXiv:1702.03044 (2017). ▪ Lin, Ji, et al. "AWQ: Activation-aware Weight Quantization for LLM Compression and Acceleration." arXiv preprint arXiv:2306.00978 (2023). ▪ Krishnamoorthi, Raghuraman. "Quantizing deep convolutional networks for efficient inference: A whitepaper." arXiv preprint arXiv:1806.08342 (2018). ▪ Nagel, Markus, et al. "A white paper on neural network quantization." arXiv preprint arXiv:2106.08295 (2021). ▪ Lin, Xiaofan, Cong Zhao, and Wei Pan. "Towards accurate binary convolutional neural network." Advances in neural information processing systems 30 (2017). ▪ Gholami, Amir, et al. "A survey of quantization methods for efficient neural network inference." Low-Power Computer Vision. Chapman and Hall/CRC, 2022. 291-326. ▪ Nagel, Markus, et al. "Data-free quantization through weight equalization and bias correction." Proceedings of the IEEE/CVF International Conference on Computer Vision. 2019. ▪ Nagel, Markus, et al. "Up or down? adaptive rounding for post-training quantization." International Conference on Machine Learning. PMLR, 2020. ▪ Dettmers, Tim, et al. "Llm. int8 (): 8-bit matrix multiplication for transformers at scale." arXiv preprint arXiv:2208.07339 (2022). ▪ Wei, Xiuying, et al. "Outlier Suppression+: Accurate quantization of large language models by equivalent and optimal shifting and scaling." arXiv preprint arXiv:2304.09145 (2023). ▪ Lin, Ji, et al. "AWQ: Activation-aware Weight Quantization for LLM Compression and Acceleration." arXiv preprint arXiv:2306.00978 (2023). ▪ Xiao, Guangxuan, et al. "Smoothquant: Accurate and efficient post-training quantization for large language models." International Conference on Machine Learning. PMLR, 2023. 参考文献
24. AI 24 ▪ Frantar, Elias, et al. "Gptq: Accurate post-training quantization for generative pre-trained transformers." arXiv preprint arXiv:2210.17323 (2022). ▪ Kim, Jeonghoon, et al. "Memory-Efficient Fine-Tuning of Compressed Large Language Models via sub-4-bit Integer Quantization." arXiv preprint arXiv:2305.14152 (2023). ▪ Schaefer, Clemens JS, et al. "Mixed Precision Post Training Quantization of Neural Networks with Sensitivity Guided Search." arXiv preprint arXiv:2302.01382 (2023). ▪ Pandey, Nilesh Prasad, et al. "A Practical Mixed Precision Algorithm for Post-Training Quantization." arXiv preprint arXiv:2302.05397 (2023). ▪ Wang, Kuan, et al. "Haq: Hardware-aware automated quantization with mixed precision." Proceedings of the IEEE/CVF conference on computer vision and pattern recognition. 2019. ▪ Koryakovskiy, Ivan, et al. "One-Shot Model for Mixed-Precision Quantization." Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2023. ▪ Wu, Bichen, et al. "Mixed precision quantization of convnets via differentiable neural architecture search." arXiv preprint arXiv:1812.00090 (2018). ▪ Qian, Biao, et al. "Adaptive Data-Free Quantization." Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2023. ▪ Liu, Zechun, et al. "LLM-QAT: Data-Free Quantization Aware Training for Large Language Models." arXiv preprint arXiv:2305.17888 (2023). 参考文献