当人工智能引发能源问题，我们该怎么办？应对措施是什么？

赛灵思公司工业、视觉、医疗及科学市场 AI 系统架构师

在 “人工智能引发能源问题，我们该怎么办 （一）”中，我们简要介绍了更高层次的问题，这些问题为优化加速器的需求奠定了基础。作为一个尖锐的问题提醒，现在让我们通过一个非常简单的图像分类算法，来看一看与之相关联的计算成本与功耗。

利用 Mark Horowitz 提供的数据点，我们可以考虑图像分类器在不同空间限制下的相对功耗。虽然您会注意到 Mark 的能耗估计是针对 45nm 节点的，但业界专家建议，这些数据点将继续按当前的半导体工艺尺寸进行调整。也就是说，无论工艺尺寸是 45nm 还是 16nm，与 FP32 运算相比，INT8 运算的能量成本仍然低一个数量级。

数据来源：Bill Dally（斯坦福），Cadence 嵌入式神经网络峰会，2017 年 2 月 1 日

功耗可按以下方式进行计算：

功耗 = 能量（J）/运算*运算/s

从这个等式中我们可以看出，只有两种方法能够降低功耗：要么减少执行特定运算所需的功耗，要么减少运算的次数，或者一起减少。

对于我们的图像分类器，我们将选择ResNet50作为一个目标。ResNet 提供了近乎最先进的图像分类性能，同时与众多具有类似性能的可比网络相比，它所需的参数（权重）更少，这便是它的另一大优势。

为了部署 ResNet50，我们每次推断需要大约 77 亿运算的算力。这意味着，对于每一幅我们想要分类的图像，我们将产生 7.7 * 10E9 的“计算成本”。

现在，让我们考虑一个相对高容量的推断应用，在该应用中，我们可能希望每秒对 1000 幅图像进行分类。坚持沿用 Mark 的 45nm 能耗估算，我们得出以下结论：

功耗 = 4pJ + 0.4pJ/运算*7.7B运算/图像 * 1000图像/s

= 33.88W

作为创新的第一维度，我们可以将网络从 FP32 量化到 8 位整数运算。这将功耗降低了一个数量级以上。虽然在训练期间 FP32 的精度有利于反向传输，但它在像素数据的推断时间几乎没有创造价值。大量研究和论文已经表明，在众多应用中，可以分析每一层的权重分布并对该分布进行量化，同时将预量化的预测精度保持在非常合理的范围内。

此外，量化研究还表明，8 位整数值对于像素数据来说是很好的“通用”解决方案，并且对于典型网络的许多内层，可以将其量化到 3-4 位，而在预测精度上损失最小。由 Michaela Blott 领导的赛灵思研究实验室团队多年来一直致力于二进制神经网络 （BNN） 的研究与部署，并取得了一些令人瞩目的成果。（如需了解更多信息，请查看 FINN 和 PYNQ）

如今，我们与DNNDK的重点是将网络推断量化至 INT8。现代赛灵思 FPGA 中的单个 DSP 片可以在单个时钟周期内计算两个 8 位乘法运算，这并非巧合。在 16nm UltraScale+ MPSoC 器件系列中，我们拥有超过 15 种不同的器件变型，从数百个 DSP 片扩展到数千个 DSP 片，同时保持应用和/OS 兼容性。16nm DSP 片的最大 fCLK 峰值为 891MHz。因此，中型 MPSoC 器件是功能强大的计算加速器。

现在，让我们考虑一下从 FP32 迁移到 INT8 的数学含义：

功耗 = 0.2pJ+0.03pJ/运算*7.7B运算/图像*1000图像/s

= 1.771W

Mark 在演讲中，提出了一个解决计算效率问题的方法，那就是使用专门构建的专用加速器。他的观点适用于机器学习推断。

上述分析没有考虑到的是，我们还将看到 FP32 的外部 DDR 流量至少减少四倍。正如您可能预料到的那样，与外部存储器访问相关的功耗成本比内部存储器高得多，这也是事实。如果我们简单地利用 Mark 的数据点，我们会发现访问 DRAM 的能量成本大约是 1.3-2.6nJ，而访问 L1 存储器的能量成本可能是 10-100pJ。看起来，与访问内部存储器（如赛灵思 SoC 中发现的 BlockRAM 和 UltraRAM）的能量成本相比，外部 DRAM 访问的能量成本至少高出一个数量级。

除了量化所提供的优势以外，我们还可以使用网络剪枝技术来减少推断所需的计算工作负载。使用赛灵思Vitis AI 优化器工具，可以将在 ILSCVR2012（ImageNet 1000 类）上训练的图像分类模型的计算工作负载减少 30-40%，精度损失不到 1%。再者，如果我们减少预测类的数量，我们可以进一步增加这些性能提升。现实情况是，大多数现实中的图像分类网络都是在有限数量的类别上进行训练的，这使得超出这种水印的剪枝成为可能。作为参考，我们其中一个经过剪枝的 VGG-SSD 实现方案在四个类别上进行训练，需要 17 个 GOP（与原始网络需要 117 个 GOP 相比），在精度上没有损失！谁说 VGG 没有内存效率？

然而，如果我们简单地假设我们在 ILSCVR2012 上训练我们的分类器，我们发现我们通常可以通过剪枝减少大约 30% 的计算工作负载。考虑到这一点，我们得出以下结论：

功耗 = 0.2pJ+0.03pJ/运算*7.7B运算/图像0.7*1000图像/s

= 1.2397W

将此值与 FP32 推断的原始估计值 33.88W 进行比较。

虽然这种分析没有考虑到多种变量（混合因素），但显然存在一个重要的优化机会。因此，当我们继续寻找遥遥无期的“解决计算饱和的灵丹妙药”时，考虑一下吴恩达断言“AI 是新电能”的背景。我认为他并不是在建议 AI 需要更多的电能，只是想表明 AI 具有极高的价值和巨大的影响力。所以，让我们对 ML 推断保持冷静的头脑。对待机器学习推断应保持冷静思考，既不必贸然跟风，也无需针对高性能推断设计采用液态冷却散热。

在本文的第三篇中，我们还将就专门构建的“高效”神经网络模型的使用，以及如何在赛灵思应用中利用它们来实现更大的效率增益进行讨论。在此之前，请参阅DNNDK SDK 用户指南中的第 7 章，以便您更好地了解自适应硬件（位于边缘和更远位置）可能实现的推断性能水平。
编辑：lyn