MIT韓松團(tuán)隊開發(fā)全新微型深度學(xué)習(xí)技術(shù)MCUNet

“MCUNet能夠把深度學(xué)習(xí)在單片機(jī)上做到 ImageNet 70% 以上的準(zhǔn)確率，我們的研究表明，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上在線進(jìn)行小資源機(jī)器學(xué)習(xí)的時代正在到來。”

近日，MIT 電子工程和計算機(jī)科學(xué)系助理教授韓松告訴 DeepTech，他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊解決了此前由于單片機(jī)硬件資源的限制無法在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的進(jìn)行微型機(jī)器學(xué)習(xí)的難題。

今年 7 月，韓松團(tuán)隊發(fā)表的論文 “MCUNet: Tiny Deep Learning on IoT Devices” 中提出了 MCUNet 方案，可以通過高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搜索（TinyNAS）和輕量推理引擎（TinyEngine）的聯(lián)合設(shè)計，實現(xiàn)在 MCU（Microcontroller Unit 微控制單元，又稱單片機(jī)）上運行 ImageNet 級別的推理。該論文第一作者林己在接受 DeepTech 采訪時表示，“我們發(fā)現(xiàn)，用我們的 MCUNet 方案，基本上相對輕量級的應(yīng)用，在手機(jī)上跑得比較快的應(yīng)用，都可以部署到單片機(jī)上。”

該論文顯示，相比谷歌的 TF-Lite Micro 與 ARM 的 CMSIS-NN 的傳統(tǒng)方案，使用 MCUNet 進(jìn)行學(xué)習(xí)推理所需要的內(nèi)存可以減少為原來的 29%，同時推理速度能夠提升 1.7-3.3 倍。

據(jù)了解，上述論文已入選今年的 AI 頂會 NeurIPS Spotlight，將在 12 月初進(jìn)行線上分享探討活動。

更讓人興奮的是，NeurIPS 舉行前夕，林己告訴 DeepTech，論文發(fā)表后，團(tuán)隊對 MCUNet 方案進(jìn)行了再度優(yōu)化，實現(xiàn)了運行使用內(nèi)存縮減的同時推理速度的再提升。

DeepTech 了解到，目前，MCUNet 技術(shù)已與三家公司達(dá)成合作，同時更多公司表達(dá)了合作意向。

目前該技術(shù)大多用于語音或者視覺的關(guān)鍵詞檢測。語音檢測如大家熟悉的 Siri 以及 OK Google 之類；在視覺關(guān)鍵詞檢測方面，林己舉例說，比如人物識別應(yīng)用中，可以先使用基于 MCUNet 方案低功耗、低成本的硬件檢測攝像頭前是否有人，檢測結(jié)果顯示有人之后，再去開啟強大的、能耗高的下一級 AI 系統(tǒng)。如此一來，可以實現(xiàn)整個設(shè)備在能耗較低的待機(jī)狀態(tài)下隨時準(zhǔn)備激活的效果，降低成本的同時，保持系統(tǒng)的高效工作。

MCUNet 實現(xiàn) IoT 設(shè)備上的微型機(jī)器學(xué)習(xí)

一直以來，深度學(xué)習(xí)在 IoT 微型設(shè)備上的運行難點在于，單片機(jī)的硬件資源限制。因為單片機(jī)的內(nèi)存資源僅為手機(jī)、GPU 的幾千分之一，這導(dǎo)致原本在手機(jī)和 GPU 上能夠完美運行的 AI 方案，根本無法放入單片機(jī)中（模型大小過大），運行就更是別想（activation過大）。先前的模型壓縮、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計相關(guān)工作，主要是優(yōu)化減小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算量或者模型大小，沒有考慮到運行時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 activation 大小，這導(dǎo)致優(yōu)化過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也難以滿足單片機(jī)的資源限制。

對此，韓松團(tuán)隊開發(fā)的 MCUNet 方案，采用 TinyNAS 和 TinyEngine 結(jié)合的方式，能夠合理規(guī)劃單片機(jī)上僅有的內(nèi)存，并進(jìn)行高效的推理運算。

其中，TinyNAS 需要通過兩個步驟完成對單片機(jī)有限的空間進(jìn)行合理規(guī)劃，以達(dá)到提升最終模型精確度的目的。

第一步，自動搜索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空間來適配不同硬件的資源限制，找到可以滿足硬件資源限制的最高精度的搜索空間；第二步，根據(jù)不同搜索空間中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算量的分布，選擇特定單片機(jī)的自由搜索空間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的搜索。

搜索空間時，需要輸入分辨率和網(wǎng)絡(luò)寬度進(jìn)行搜索。大概有 108 個可能的搜索空間配置，每個搜索空間配置包含 3.3×1025個子網(wǎng)絡(luò)。

韓松團(tuán)隊認(rèn)為，在內(nèi)存約束下更有可能生成高 FLOPS 模型的設(shè)計空間可以提供更高的模型容量，因此有可能實現(xiàn)高精度。對比紅色和黑色，使用紅色空間進(jìn)行神經(jīng)體系結(jié)構(gòu)搜索可達(dá)到 78.7% 的最終精度，而黑色空間則為 74.2%(在 ImageNet 100 上)。

圖 | TinyNAS 通過分析不同搜索空間的 FLOP CDF 來選擇最佳搜索空間

經(jīng)過 TinyNAS 的優(yōu)化，確保單片機(jī)在硬件資源最佳分配的狀態(tài)下使用 TinyEngine 展開推理運算。

在推理運算方面，傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方案 TF-Lite Micro 與 CMSIS-NN 采用的是基于解釋器的運行框架。在推理運行的同時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的解釋，所以需要將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操作中所有可能用到的算子以及支持所有上級的代碼全部儲存，這必須要有足夠大的內(nèi)存才能夠承載。另外，解釋型框架是在運行期間對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋，這一動作也將增加運行的負(fù)擔(dān)。

這種 “甜蜜的負(fù)擔(dān)” 對于 “身強力壯的巨人” 手機(jī)和 GPU 等內(nèi)存足夠大的設(shè)備并無大礙，但對于單片機(jī)這種自身條件有限的 “小家伙” 來說，簡直寸步難行，甚至有將其壓垮的架勢。

由此，韓松團(tuán)隊為 “小家伙” 量身定制了新的方案 ——MCUNet，林己向 DeepTech 介紹稱，MCUNet 使用 TinyEngine 框架，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編譯和執(zhí)行步驟分開進(jìn)行。編譯階段明確決定好內(nèi)存的調(diào)度、執(zhí)行過程中的必備動作以及所需算子，在執(zhí)行過程中，微型處理器上只需要對當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所執(zhí)行的任務(wù)需要的算子進(jìn)行儲存，內(nèi)存調(diào)度上也無需進(jìn)行動態(tài)處理。做到節(jié)省解釋時間的同時，也讓內(nèi)存資源本就緊張的單片機(jī)能夠 “松一口氣”，讓更大模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運行看到一絲希望。

實驗結(jié)果顯示，使用 TinyEngine 運行之下的推理，與傳統(tǒng)框架 TF-Lite Micro 對比，推理速度提升了 3 倍，內(nèi)存占用縮減為1/4，在 ImageNet 上的準(zhǔn)確率則提高了 17%。

圖 | TinyEngine 與傳統(tǒng)框架推理效率、內(nèi)存占用峰值、精確度對比

值得注意的是，在該論文發(fā)表之后，韓松團(tuán)隊又加入了 in-place depthwise convolution 技術(shù)，結(jié)合 TinyNAS 可以進(jìn)一步縮小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運行時的最大內(nèi)存，同時降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運行的硬件需求，實現(xiàn) MCUNet 方案推理運算下效率和準(zhǔn)確率的進(jìn)一步提升。另外，林己還提到，“現(xiàn)在我們還加入了目標(biāo)檢測相關(guān)的應(yīng)用，比如可以用來檢測人、車以及人有沒有戴口罩等，而此前主要關(guān)注分類方面的應(yīng)用”。

MCUNet 誕生于新冠疫情期間

“整體研發(fā)尤其后期，是在疫情下進(jìn)行的，同學(xué)們都是在隔離的條件下獨立完成研發(fā)，團(tuán)隊通過遠(yuǎn)程進(jìn)行交流，其實做得很辛苦?！?/p>

談及 MCUNet 的研發(fā)過程，韓松表示他印象最深刻的是疫情期間團(tuán)隊成員在無法面對面交流的情況下進(jìn)行研發(fā)，挑戰(zhàn)很大。

前文提到，提出 MCUNet 方案的論文已入選今年的 NeurIPS spotlight。其實，除此之外，韓松團(tuán)隊今年入選 NeurIPS 的還有另外兩篇，分別為《TinyTL：降低內(nèi)存占用而非參數(shù)量用于高效的設(shè)備上學(xué)習(xí)》和《可微分?jǐn)?shù)據(jù)增強：訓(xùn)練數(shù)據(jù)高效的生成對抗網(wǎng)絡(luò)》。在此不對另外兩篇論文進(jìn)行展開，簡單了解下該團(tuán)隊中 MCUNet 研發(fā)的主要成員。

帶隊老師韓松，為麻省理工電子工程和計算機(jī)科學(xué)系助理教授，在斯坦福大學(xué)獲得博士學(xué)位，研究重點為高效的深度學(xué)習(xí)計算。他曾提出的深度壓縮技術(shù)可以在不損失神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精度的前提下大幅縮小網(wǎng)絡(luò)的模型參數(shù)，并且在硬件實現(xiàn)的高效推理引擎中首次探索了模型剪枝和參數(shù)稀疏化在深度學(xué)習(xí)加速器中的應(yīng)用。曾獲 ICLR' 16 和 FPGA' 17 最佳論文獎等獎項，也因其在 “深度壓縮” 技術(shù)上的貢獻(xiàn)，于 2019 年被《麻省理工科技評論》評為全球 “35 歲以下的 35 名杰出創(chuàng)新者”。

MCUNet 論文第一作者林己，現(xiàn)為 MIT HAN Lab 在讀博士生，研究方向是高效率的深度學(xué)習(xí)算法和系統(tǒng)，除 MCUNet，他還曾開發(fā)全自動的深度模型壓縮和加速方法（AMC）。

參與 MCUNet 研究的還有陳威銘，為臺灣大學(xué)博士、MIT HAN Lab 準(zhǔn)博后，研究方向主要包括微型化機(jī)器學(xué)習(xí)，MCUNet 方案中，陳威銘設(shè)計了適合微型控制器（Microcontroller）上運行的深度學(xué)習(xí)模型引擎（TinyEngine）。

原文標(biāo)題：MIT韓松團(tuán)隊開發(fā)全新微型深度學(xué)習(xí)技術(shù)MCUNet，實現(xiàn)ImageNet超70%準(zhǔn)確率，可在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備高效運行

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