TensorFlow 模型优化工具包 — 训练后整型量化

模型优化工具包是一套先进的技术工具包，可协助新手和高级开发者优化待部署和执行的机器学习模型。自推出该工具包以来，  我们一直努力降低机器学习模型量化的复杂性

(https://www.tensorflow.org/lite/performance/post_training_quantization)。

最初，我们通过“混合运算”为训练后量化提供支持，该方法可量化模型参数（例如权重），但以浮点方式执行部分计算。今天，我们很高兴宣布推出一款新工具：训练后整型量化。整型量化是一种通用技术，可降低模型权重和激活函数的数值精度，从而减少内存并缩短延迟时间。

优化模型以缩减尺寸、延时和功耗，使准确率损失不明显

为何应使用训练后整型量化

我们之前发布的“混合”训练后量化方法可在许多情况下减少模型大小和延迟时间，但却必须进行浮点计算，这可能不适用于所有硬件加速器（如 Edge TPU， https://cloud.google.com/edge-tpu/），而只适用于 CPU。

注：“混合”训练后量化 链接

https://www.tensorflow.org/lite/performance/post_training_quantization

我们已推出全新的训练后整型量化方法，可让用户使用已经过训练的浮点模型，并对其进行充分量化，仅使用 8 位带符号整数（即“int8”）。凭借这一量化方案，我们可以在许多模型中获得合理的量化模型准确率，而不必重新训练依靠量化感知 (quantization-aware) 训练的模型。借助这一新工具，模型大小将缩小为原来的 1/4，却能得到更大的 CPU 速度提升。此外，Edge TPU 等固定点硬件 (fixed point hardware) 加速器也将能运行这些模型。

与量化感知训练相比，此工具更易于使用，并可在大多数模型中实现出色的准确率。目前可能仍存在需要进行量化感知训练的用例，但我们希望随着训练后工具的不断改进，这种情况会越来越少。

注：量化感知训练 链接https://github.com/tensorflow/tensorflow/tree/master/tensorflow/contrib/quantize

总之，如果用户希望减少 CPU 大小和延迟时间，即应使用“混合”训练后量化工具。如果旨在大幅改进 CPU 或兼容固定点加速器，则应使用此训练后整型量化工具；若会影响模型准确率，则可能还需使用量化感知训练。

如何启用训练后整型量化

我们的整型量化工具需要使用一个小型代表性数据校正集。只需为转换器提供 representative_dataset 生成器，优化参数便会对输入模型执行整型量化。

 1def representative_dataset_gen(): 2  data = tfds.load(...) 3 4  for _ in range(num_calibration_steps): 5    image, = data.take(1) 6    yield [image] 7 8converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_dir) 9converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]10converter.representative_dataset = tf.lite.RepresentativeDataset(11    representative_dataset_gen)def representative_dataset_gen():
 2  data = tfds.load(...)
 3
 4  for _ in range(num_calibration_steps):
 5    image, = data.take(1)
 6    yield [image]
 7
 8converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(saved_model_dir)
 9converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
10converter.representative_dataset = tf.lite.RepresentativeDataset(
11    representative_dataset_gen)

模型是否经过完全量化？

与现有的训练后量化功能类似，默认情况下，未进行量化操作的算子将自动以浮点方式执行。这样可使转换过程顺利进行，并会生成始终在常规移动 CPU 上执行的模型，鉴于 TensorFlow Lite 将在只使用整型的加速器中执行整型运算，并在执行浮点运算时回退到 CPU。  若要在完全不支持浮点运算的专用硬件（如某些机器学习加速器，包括 Edge TPU）上完整执行运算，您可以指定标记以仅输出整型运算：

1converter.target_ops = [tf.lite.OpSet.TFLITE_BUILTINS_INT8]converter.target_ops = [tf.lite.OpSet.TFLITE_BUILTINS_INT8]

当使用此标记且运算没有可量化的整型对应项时，TensorFlow Lite 转换器将报错。

模型仅需少量数据

实验中发现，使用数十个可表明模型在执行期间所见内容的代表性示例，足以获得最佳准确率。例如，我们仅使用 ImageNet 数据集中的 100 张图像对模型进行校准后，即得出了以下准确率。

结果

延时

与浮点模型相比，量化模型在 CPU 上的运行速度提升了2到4倍，模型压缩提升4倍。我们还希望通过硬件加速器（如 Edge TPU）进一步提速。

准确率

仅使用 ImageNet 数据集中的 100 张校准图像，完全量化的整型模型便获得了与浮点模型相当的准确率（MobileNet v1 损失了 1% 的准确率）。

整型模型的工作原理

记录动态范围

以上新工具的工作原理是：记录动态范围，在浮点 TensorFlow Lite 模型上运行多个推理，并将用户提供的代表性数据集用作输入。我们会使用所记录的推理值，以确定在整型算法中执行模型全部张量所需的缩放比例参数。

Int8 量化方案

需要注意的是，我们的全新量化规范已实现这一训练后用例，且该用例可针对某些运算使用每轴量化。在我们新增每轴量化之前，由于准确率下降，训练后整型量化并不实用；但每轴量化却具有准确率优势，能够为许多模型实现更接近于浮动模型的准确率。

8 位量化使用以下公式得出的值近似于浮点值：

real_value = (sint8_value — zero_point) * scale.

每轴（也称为“每通道”）或每层权重以 int8 二进制补码表示，数值范围为 [-127, 127]，零点时则等于 0。

每层激活函数/输入以 int8 二进制补码表示，数值范围为 [-128, 127]，零点范围为 [-128, 127]。如需了解更多详情，请参阅完整量化规范(https://www.tensorflow.org/lite/performance/quantization_spec)。

量化感知训练方面有何打算？

我们希望尽可能简化量化方法。因此，我们很期待能够通过某种方法在训练后实现模型的量化！但是，我们也明白，某些模型在通过量化进行训练时已经拥有最佳质量。所以，我们也在致力开发量化感知训练 API。同时，我们也鼓励您尝试使用训练后量化法，因为它也许能满足模型的所有需求！

文档和教程

您可以在 TensorFlow 网站上找到关于训练后整型量化、新量化规范以及训练后整型量化教程的详细信息。我们非常乐于了解您对此工具的使用情况  —  欢迎您分享自己的案例！

• 训练后整型量化

  (https://www.tensorflow.org/model_optimization/guide/quantization)

• 新量化规范

  (https://www.tensorflow.org/lite/performance/quantization_spec)

• 训练后整型量化教程

  (https://github.com/tensorflow/tensorflow/blob/master/tensorflow/lite/tutorials/post_training_integer_quant.ipynb)

• 案例分享

  (https://services.google.com/fb/forms/tensorflowcasestudy/)

致谢

感谢 TensorFlow 模型优化团队： Suharsh Sivakumar、Jian Li、Shashi Shekhar、Yunlu Li、Alan Chiao、Raziel Alvarez、Lawrence Chan、Daniel Situnayake、Tim Davis、Sarah Sirajuddin

Reviewed by：linsong

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