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计算机视觉研究院专栏
Column of Computer Vision Institute
01
总 述
Transformer 是现在火热的AIGC预训练大模型的基础，而ViT(Vision Transformer)是真正意义上将自然语言处理领域的Transformer带到了视觉领域。从Transformer的发展历程就可以看出，从Transformer的提出到将Transformer应用到视觉，其实中间蛰伏了三年的时间。而从将Transformer应用到视觉领域(ViT)到AIGC的火爆也差不多用了两三年。其实AIGC的火爆，从2022年下旬就开始有一些苗条，那时就逐渐有一些AIGC好玩的算法放出来，而到现在，AIGC好玩的项目真是层出不穷。
随着近两年来对视觉Transformer模型（ViT）的深入研究，ViT的表达能力不断提升，并已经在大部分视觉基础任务 (分类，检测，分割等) 上实现了大幅度的性能突破。然而，很多实际应用场景对模型实时推理的能力要求较高，但大部分轻量化ViT仍无法在多个部署场景 （GPU，CPU，ONNX，移动端等）达到与轻量级CNN（如MobileNet） 相媲美的速度。
因此，重新审视了ViT的2个专属模块，并发现了退化原因如下：
研究者发现LayerNorm输入的通道间变化严重，有些通道范围甚至超过中值的40倍。传统方法无法处理如此大的激活波动，这将导致很大的量化误差
还发现注意力图的值具有极端的不均匀分布，大多数值聚集在0～0.01之间，少数高注意力值接近1
基于以上分析，研究者提出了Power-of-Two Factor（PTF）来量化LayerNorm的输入。通过这种方式，量化误差大大降低，并且由于Bit-Shift算子，整体计算效率与分层量化的计算效率相同。此外还提出了Log Int Softmax（LIS），它为小值提供了更高的量化分辨率，并为Softmax提供了更有效的整数推理。结合这些方法，本文首次实现了全量化Vision Transformer的训练后量化。
02
新框架
下面的这两张图表明，与CNN相比，视觉转换器中存在严重的通道间变化，这导致了分层量化的不可接受的量化误差。
首先解释网络量化符号。假设量化位宽为b，量化器Q（X|b）可以公式化为将浮点数X∈R映射到最近量化仓的函数：
Uniform Quantization
Uniform Quantization在大多数硬件平台上都得到了很好的支持。它的量化器Q（X|b）可以定义为：
其中s（标度）和zp（零点）是由X的下界l和上界u确定的量化参数，它们通常是最小值和最大值。
Log2 Quantization
Log2 Quantization将量化过程从线性变化转换为指数变化。其量化器Q（X|b）可定义为:
为了实现完全量化的视觉变换器，研究者对所有模块进行量化，包括Conv、Linear、MatMul、LayerNorm、Softmax等。特别是，对Conv、线性和MatMul模块使用均匀的Min-Max量化，对LayerNor和Softmax使用以下方法。
Power-of-Two Factor for LayerNorm Quantization
在推理过程中，LayerNorm计算每个正向步骤中的统计量µX，σX，并对输入X进行归一化。然后，仿射参数γ，β将归一化输入重新缩放为另一个学习分布。
如刚开始解释分析一样，与神经网络中常用的BatchNorm不同，LayerNorm由于其动态计算特性，无法折叠到前一层，因此必须单独量化它。然而，在对其应用训练后量化时观察到显著的性能下降。查看LayerNorm层的输入，发现存在严重的通道间变化。
研究者提出了一种简单而有效的层范数量化方法，即Power-of-Two Factor（PTF）。PTF的核心思想是为不同的信道配备不同的因子，而不是不同的量化参数。给定量化位宽b，输入活动X∈RB×L×C，逐层量化参数s，zp∈R1，以及PTFα∈NC，则量化活动XQ可以公式化为：
其中部分参数如下：
Softmax quantized with Log-Int-Softmax (LIS)
注意图的存储和计算是变压器结构的瓶颈，因此研究者希望将其量化到极低的位宽（例如4位）。然而，如果直接实现4位均匀量化，则会出现严重的精度退化。研究者观察到分布集中在Softmax输出的一个相当小的值上，而只有少数异常值具有接近1的较大值。基于以下可视化，对于具有密集分布的小值区间，Log2保留了比均匀更多的量化区间。
将Log2量化与i-exp（i-BERT提出的指数函数的多项式近似）相结合，提出了LIS，这是一个仅整数、更快、低功耗的Softmax。
整个过程如下所示。
03
实验&可视化
Comparison of the top-1 accuracy with state-of-the-art methods on ImageNet dataset
将注意力图可视化，以查看均匀量化和LIS之间的差异，如上图所示。当两者都使用8位时，均匀量化集中在高激活区域，而LIS在低激活区域保留更多纹理，这保留了注意力图的更多相对秩。在8位的情况下，这种差异不会产生太大的差异。然而，当量化到较低的位宽时，如6位和4位的情况所示，均匀量化会急剧退化，甚至使所有关注区域失效。相反，LIS仍然表现出类似于8位的可接受性能。
Channel-wise minimum and maximum values of Vision Transformers and ResNets
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