速读-A3基于注意力机制的神经网络处理器

论文：Ham, Tae Jun, et al. “A^ 3: Accelerating Attention Mechanisms in Neural Networks with Approximation.” 2020 IEEE International Symposium on High Performance Computer Architecture (HPCA). IEEE, 2020.

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HPCA，CCF-A体系结构顶会。

随着神经网络计算需求的增长，学术界已经提出了许多用于神经网络的硬件加速器。这种现有的神经网络加速器通常专注于流行的神经网络类型，例如卷积神经网络（CNN）和递归神经网络（RNN）。但是，注意力机制（Attention Mechanism）并没有引起太多关注，注意力机制是一种新兴的神经网络原语，它使神经网络能够从知识库，外部存储器或过去的状态中检索最相关的信息。注意机制已被许多先进的神经网络广泛采用，用于计算机视觉，自然语言处理和机器翻译，并且占总执行时间的很大一部分。

作者设计了一种称为A3的专用硬件加速器，该加速器的目标是利用近似势能的神经网络中的注意力机制。尤其是，A3的工作确定了新兴的神经网络原语的重要性，并通过软件-硬件协同设计使其加速，从而实现了比常规硬件更高数量级的能效提升。此外，A3还为近似注意力机制设计了专用的硬件流水线，同时推出了台积电40nm的测试芯片。实验结果表明，与传统硬件相比，该加速器可实现显着的性能和能效提升。

在章节Ⅱ-A和章节Ⅱ-B部分中，论文表明注意机制是大多数先进的神经网络（如Word2Vec，Glove和FastText）中广泛使用的策略，用于识别和检索与输入有关的数据，即可区分的基于内容的相似性搜索。大多数网络都在自然语言处理，计算机视觉和推荐系统领域。详细分析了注意机制中点积，softmax归一化和权重和的计算过程。此后，本文得出的结论是，在矩阵矢量乘法中执行的大多数计算对最终输出几乎没有影响，因为大多数得分值在softmax归一化之后可以近似并优化为接近零。因此，A3加速器指日可待。

文章介绍了A3的两个不同版本：Base-A3（第III部分）和Approx-A3（第IV和V部分）。 对于前者，每个模块的硬件设计都直接映射到其计算。后者提出了近似机制，因此后者更值得讨论。

特别是，有关如何设计近似注意力的想法有两个关键步骤。一种是通过有限的计算来识别与注意力机制中的查询相关的候选者。另一个是避免计算可能是不相关的行。有一个关键的直觉：如果我们能以某种方式识别出一些最大和最小的分量相乘结果，就可以用很少的计算来计算估计的注意力得分。

对于Approx-A3，作者设计了一组新的硬件加速器模块，用于候选者选择和评分后逼近。它使用天真的想法，即加法比乘法好。例如，给定大小为n x d的矩阵，Approx-A3首先对存储在SRAM中的矩阵的每一列进行排序。然后，大小为1乘d的两个指针的目的是要获取m次排序列中的max和min个元素，以更新估计的注意力，代替查询向量和排序矩阵的逐元素乘法。因此，该算法仅执行2 x m的乘法，比n x d小得多。简而言之，该算法每次迭代更新两个估计的注意力得分：最大和最小分量相乘结果。最后，经过m次迭代后具有正估计注意力得分的行将成为近似注意力的候选对象。

操作图：

加速器结构：

本文演示了一些评估A3加速器的实验。选择VI分为四个部分：A（工作量），B（准确性评估），C（性能结果）和D（面积，功率，能量和测试芯片）。

从性能结果可以看出，近似可以进一步提高吞吐量（2.6-7.0倍）和等待时间（1.6-8.0倍）。因此，在面积和能源效率方面，可以节省更多的能源（比CPU效率高> 10,000倍）。结果证明，Approx-A3的先前设计非常有效。如果在忽略管芯尺寸的情况下将这种技术应用于移动终端，则这是有用的。此外，应该注意的是，大多数能量都花费在输出计算和候选选择上，这很容易理解，因为逐个元素的乘法被近似值代替。但是，我们都知道近似方案会影响端到端模型的准确性。根据VI-B，结果表明，保守近似方案损失了约1-1.6％的精度指标，而积极近似方案损失了约8-9％的精度指标。此外，选择的前几项的数量表明，激进近似法可能会错过一些注意力得分较高的项目。

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