如何压缩模型大小，使得深度学习在廉价的嵌入式设备中工作

要理解我们如何缩小模型，就要先理解模型文件如何被压缩。如下图所示，一个常见的 DNN 模型由神经元和它们之间的连接构成，模型的大小主要就是由这些 weights 构成。一个简单的 CNN 都有上百万的参数，我们知道训练的时候，它们的 dtype 都是 float 32，一个 float 32 占4个字节，上百万的参数往往就占据几十兆的空间大小。几十兆的模型？我们可能觉得这已经很小了，但是一个微型处理器就只有 256 Kb 的随机存储器。

为了把模型缩小到可以塞到这么小的处理器中，有以下几个框架：

• AIMET from Qualcomm
• TensorFlow Lite from Google
• CoreML from Apple
• PyTorch Mobile from Facebook

tensorflow 提供一个 python 库 tensorflow_model_optimization，这个库优化模型的延迟，大小。直观上，优化模型大小，一个就是优化参数的数量，另一个就是优化每个参数的大小。主要的方式就是以下几种。

Compression or Distillation

模型训练完成后，如何在准确率可接受的情况下压缩模型，最常见的方式就是剪枝和蒸馏。

剪枝-删除对输出影响较低或者可能会引起过拟合的weights，再剪枝后稀疏的神经网络需要重新被训练。蒸馏炼丹师都比较熟悉了，用小模型去学习打模型即可。

Quantisation

该方法用低精度的参数去学习一个同样效果的模型，这种方式提升了模型的处理能力和效率。这种方法主要是把 float 压缩到 int 8 上，如下图所示：

Quantisation Aware Training（QAT）这个方式是在模型训练过程中使用量化，如下图所示，该方法会带来噪声也会影响 loss，所以学到的模型更加鲁棒。

Post-Training Quantisation (PTQ) 该方法不用重训练模型，直接把float32量化到int8，这样直接把模型大小降低了4倍，预估性能也提升了两倍，精度也没有显著下降。

weight clustering 使用权重聚类/共享，降低了存储参数的数量，该方法把一层的参数聚成N个类，并共享索引，举例来说，如果我们把一层聚成8个类，每个参数都会只占 3bit（2^3 = 8）。从实验我们可以看到，使用该方法可以降低模型大小6倍，仅仅降低了0。6%的准确率。我们还可以通过 fine-tune 聚类的中心点，来提升模型精度。

Encoding

通过使用霍夫曼编码对模型进行压缩，使用01编码 weights，把最常出现的权重用较少的 bit 去编码，如下图所示，我们有已经被量化的权重矩阵:

每个权重占5bit(0~31)，如果使用霍夫曼编码，我们就会得到下面这颗树:

17会被编码成11，22编码为001，可以看到权重通过编码显著被压缩。

Compilation

剩下的就是工程上的优化了，如使用C++，相较于python更快更省内存。

参考文献