Uvolněná kvantizace a binarizace neuronových sítí

Abstract

Kvantované neuronové sítě (QNNs) pomáhají implementovat rozsáhlé modely na zařízeních s omezenými hardwarovými zdroji. Cílem této práce je porovnat a zlepšit metody pro trénování QNNs, aby se zmenšil rozdíl mezi kvantizovanými a 'full-precision' modely. Diskretizace je obecně nediferencovatelný proces, a proto je nevhodná pro optimalizaci zpětným šířením gradientu chyby. Zavedení stochastičnosti do neuronových sítí tento problém řeší za cenu složitějšího tréninkového procesu. Byly studovány dvě rodiny metod pro trénování QNNs. Obě zavádějí do standardních neuronových sítí stochastickou kvantizaci. Jedna rodina vzorkuje stochastické kvantizované hodnoty během dopředné propagace. Druhá rodina propaguje momenty pravděpodobnostních rozdělení. Navrhujeme zjednodušení metod založených na vzorkování a navrhujeme, že by pravděpodobnostní propagace mohla být použita pro předtrénování sítí. Předtrénování umožňuje využít jinak pomalu se učící binární neuronové sítě na širší škále architektur hlubokých neuronových sítí. Experimenty ověřují funkčnost obou přístupů na datasetech MNIST a CIFAR.

Quantized neural networks (QNNs) help implement large-scale models on devices with limited hardware resources. This thesis aims to compare and improve methods for training QNNs, so the gap between quantized and full-precision models closes. Discretization is generally a non-differentiable procedure and, therefore, unsuitable for gradient-based backpropagation. The introduction of stochasticity to the network solves this issue for the price of a more complex training process. Two families of methods were studied to train QNNs. Both introduce stochastic quantization into the standard NNs. One family samples stochastic quantized values in the forward pass. The other family propagates moments of probability distributions. We propose simplifications to sampling-based methods and suggest that probabilistic propagation can be used for pre-training. Pre-training enables the otherwise slow learning binary NNs to be used on a broader range of deep NN architectures. Experiments validate the functionality of both approaches on the MNIST and CIFAR datasets.