Compression pour l'apprentissage en profondeur

Autonomous cars are complex applications that need powerful hardware machines to be able to function properly. Tasks such as staying between the white lines, reading signs, or avoiding obstacles are solved by using convolutional neural networks (CNNs) to classify or detect objects. It is highly important that all the networks work in parallel in order to transmit all the necessary information and take a common decision. Nowadays, as the networks improve, they also have become bigger and more computational expensive. Deploying even one network becomes challenging. Compressing the networks can solve this issue. Therefore, the first objective of this thesis is to find deep compression methods in order to cope with the memory and computational power limitations present on embedded systems. The compression methods need to be adapted to a specific processor, Kalray's MPPA, for short term implementations. Our contributions mainly focus on compressing the network post-training for storage purposes, which means compressing the parameters of the network without retraining or changing the original architecture and the type of the computations. In the context of our work, we decided to focus on quantization. Our first contribution consists in comparing the performances of uniform quantization and non-uniform quantization, in order to identify which of the two has a better rate-distortion trade-off and could be quickly supported in the company. The company's interest is also directed towards finding new innovative methods for future MPPA generations. Therefore, our second contribution focuses on comparing standard floating-point representations (FP32, FP16) to recently proposed alternative arithmetical representations such as BFloat16, msfp8, Posit8. The results of this analysis were in favor for Posit8. This motivated the company Kalray to conceive a decompressor from FP16 to Posit8. Finally, since many compression methods already exist, we decided to move to an adjacent topic which aims to quantify theoretically the effects of quantization error on the network's accuracy. This is the second objective of the thesis. We notice that well-known distortion measures are not adapted to predict accuracy degradation in the case of inference for compressed neural networks. We define a new distortion measure with a closed form which looks like a signal-to-noise ratio. A set of experiments were done using simulated data and small networks, which show the potential of this distortion measure.Les voitures autonomes sont des applications complexes qui nécessitent des machines puissantes pour pouvoir fonctionner correctement. Des tâches telles que rester entre les lignes blanches, lire les panneaux ou éviter les obstacles sont résolues en utilisant plusieurs réseaux neuronaux convolutifs (CNN) pour classer ou détecter les objets. Il est très important que tous les réseaux fonctionnent en parallèle afin de transmettre toutes les informations nécessaires et de prendre une décision commune. Aujourd'hui, à force de s'améliorer, les réseaux sont devenus plus gros et plus coûteux en termes de calcul. Le déploiement d'un seul réseau devient un défi. La compression des réseaux peut résoudre ce problème. Par conséquent, le premier objectif de cette thèse est de trouver des méthodes de compression profonde afin de faire face aux limitations de mémoire et de puissance de calcul présentes sur les systèmes embarqués. Les méthodes de compression doivent être adaptées à un processeur spécifique, le MPPA de Kalray, pour des implémentations à court terme. Nos contributions se concentrent principalement sur la compression du réseau après l'entraînement pour le stockage, ce qui signifie compresser des paramètres du réseau sans réentraîner ou changer l'architecture originale et le type de calculs. Dans le contexte de notre travail, nous avons décidé de nous concentrer sur la quantification. Notre première contribution consiste à comparer les performances de la quantification uniforme et de la quantification non-uniforme, afin d'identifier laquelle des deux présente un meilleur compromis taux-distorsion et pourrait être rapidement prise en charge par l'entreprise. L'intérêt de l'entreprise est également orienté vers la recherche de nouvelles méthodes innovantes pour les futures générations de MPPA. Par conséquent, notre deuxième contribution se concentre sur la comparaison des représentations en virgule flottante (FP32, FP16) aux représentations arithmétiques alternatives telles que BFloat16, msfp8, Posit8. Les résultats de cette analyse étaient en faveur de Posit8. Ceci a motivé la société Kalray à concevoir un décompresseur de FP16 vers Posit8. Enfin, de nombreuses méthodes de compression existent déjà, nous avons décidé de passer à un sujet adjacent qui vise à quantifier théoriquement les effets de l'erreur de quantification sur la précision du réseau. Il s'agit du deuxième objectif de la thèse. Nous remarquons que les mesures de distorsion bien connues ne sont pas adaptées pour prédire la dégradation de la précision dans le cas de l'inférence pour les réseaux de neurones compressés. Nous définissons une nouvelle mesure de distorsion avec une expression analytique qui s’apparente à un rapport signal/bruit. Un ensemble d'expériences a été réalisé en utilisant des données simulées et de petits réseaux qui montrent le potentiel de cette mesure de distorsion