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MCUNet:在只有 320kB SRAM 的微控制器上跑神經網路|MIT 6.5940 第 10 堂

MCU 的 SRAM 約 256–320kB、Flash 約 1MB,比手機小上萬倍,連 int8 的 MobileNetV2 峰值記憶體都超出 5 倍。L10 的答案是 MCUNet:TinyNAS 先挑搜尋空間再搜子網路,MCUNetV2 用 patch-based inference 把 MobileNetV2 的峰值 SRAM 從 1372kB 壓到 172kB,最後看視覺、語音、異常偵測三類 tinyML 應用。

NAS II:不訓練也能評估架構,再讓硬體回饋進搜尋|MIT 6.5940 第 8 堂

MIT 6.5940 Fall 2024 第 8 講處理 NAS 最貴的一步:評估候選架構。從頭訓練 12,800 個架構要 22,400 GPU-hours,所以課程依序介紹繼承權重、hypernetwork、ProxylessNAS 的單路徑訓練、延遲查表與預測器、Once-for-All 的一次訓練 10^19 個子網路,再到完全不訓練的 zero-shot NAS 與神經網路/加速器共同搜尋 NAAS。本篇照 105 頁投影片走一遍,標出每個主張的頁碼。

NAS I——從手工 building block 到搜尋空間與搜尋策略|MIT 6.5940 第 7 堂

第 7 講分三段。先用 MAC 公式複習全連接、卷積、分組卷積、depthwise 與 1×1 卷積;再拆 ResNet bottleneck、ResNeXt、MobileNet、MobileNetV2、ShuffleNet 與 Transformer 各靠什麼省運算,例如 bottleneck 比直接做 2048 通道的 3×3 卷積少 8.5 倍 MAC。最後進入 NAS:搜尋空間分 cell-level 與 network-level(深度、解析度、寬度、kernel size、拓撲),搜尋策略有 grid、random、強化學習、梯度下降、演化五種。投影片的一道算術題顯示,NASNet 的 cell 空間在 M=5、N=2、B=5 時就有 3.2×10¹¹ 個候選。

裝置端訓練:梯度會洩漏資料,activation 才是記憶體殺手|MIT 6.5940 第 21 堂

在裝置上訓練有兩個理由:模型要跟著使用者的新資料調整,資料又不該離開裝置。L21 先證明「只分享梯度」也不安全:Deep Leakage from Gradients 能從梯度還原出原圖和原句。接著處理記憶體:訓練比推論貴,是因為要存 activation,不是參數。TinyTL 只調 bias 再加輕量殘差,省 6.5 倍記憶體;SparseBP 只更新重要的層與通道;QAS 讓真正的 int8 訓練追上 fp32;PockEngine 在編譯期做完 autodiff,最後在 256KB 的 MCU 上把訓練記憶體壓到 141KB。

Pruning I:剪哪裡、剪多細、依什麼標準剪|MIT 6.5940 第 3 堂

Pruning 是把神經網路裡不重要的權重或神經元拿掉,目標寫成「在非零權重數不超過 N 的限制下讓 loss 最小」。6.5940 第 3 講先處理其中兩個決定。第一是粒度:從任意位置都能剪的 fine-grained,到整個通道一起剪的 channel pruning,越規則越容易在現有硬體上變快,但能剪掉的比例越小;介於中間的 2:4 sparsity 在 NVIDIA Ampere GPU 上最多快 2 倍。第二是準則:看權重大小、看 Batch Norm 縮放係數、看二階導數、看 activation 有多少是零,或看剪完後輸出重建得多好。

每層剪多少、怎麼 fine-tune、硬體怎麼吃稀疏|MIT 6.5940 第 4 堂

MIT 6.5940 第 4 講把剪枝的後半段講完:用敏感度分析、AMC(強化學習)或 NetAdapt(逐步查表)決定每層剪多少;用 1/10 到 1/100 的學習率 fine-tune、迭代剪枝把 AlexNet 的剪枝倍數從 5 倍推到 9 倍;最後看 EIE、NVIDIA 2:4 稀疏與 TorchSparse/PointAcc,說明稀疏要有系統支援才會變快。

數字格式、K-means 量化與線性量化|MIT 6.5940 第 5 堂

MIT 6.5940 第 5 講從「8-bit 整數加法比 32-bit 浮點加法省 30 倍能量」出發,先複習 INT、定點數、FP32/FP16/BF16、FP8 與 FP4 的位元配置,再講兩種量化:K-means 量化只省儲存、計算仍是浮點;線性量化用 r = S(q − Z) 把矩陣乘法、全連接層與卷積都改成整數運算。

量化 II——PTQ 的粒度與裁切、QAT 與 STE、二值化與混合精度|MIT 6.5940 第 6 堂

第 6 講處理「量化後精度掉了怎麼辦」。先不重訓:換更細的 scale 粒度(per-channel、group、MX)、裁掉離群值(EMA、校準批次、MSE、KL)、改捨入方式(AdaRound)。不夠再重訓:QAT 保留一份全精度權重,前向做假量化,反向靠 STE 把梯度直接穿過去。投影片引用的白皮書數字裡,MobileNetV1 做 per-tensor INT8 PTQ 準確率掉到 0.1%,改成 per-channel QAT 回到 70.7%,浮點原本是 70.9%。最後兩段談 1–2 bit 的二值/三值網路,以及用強化學習自動分配每層位元數的 HAQ。

TinyEngine 與平行運算:從 loop tiling 到 in-place depthwise|MIT 6.5940 第 11 堂

演算法把模型縮小之後,系統層還能再榨多少?L11 用同一個矩陣乘法示範:loop reordering 快 12 倍、tiling 快 19 倍(Intel Xeon 4114),CUDA 版在 2080Ti 上端到端快 94 倍。後半講 TinyEngine 用的推論技巧:im2col、in-place depthwise 把峰值記憶體從 2×C×H×W 降到 (1+C)×H×W、pointwise 用 NHWC、depthwise 用 NCHW,以及少 2.25 倍乘法的 Winograd。

Transformer 與 LLM:從效率角度重看一次架構|MIT 6.5940 第 12 堂

6.5940 在第 12 講從 CNN 轉到 Transformer,但重點不在原理,而在哪裡會吃掉記憶體與算力:attention 是 O(N²);Llama-2-70B 若用 MHA,batch 16、長度 4096 的 KV cache 要 160GB;GQA 把它縮 8 倍、MQA 縮 64 倍;MoE 讓總參數變多但每個 token 的計算不變。這篇是進入 L13 LLM 部署前的橋接。

用 ODE/SDE 讀懂 flow matching 與 diffusion|MIT 6.S184 課程總覽

MIT 6.S184 是 IAP(1 月獨立活動期)的短課:5 講(第 3 講拆成 3-A、3-B 兩支錄影)、3 個 lab,加上一份 84 頁、官方稱為「課程骨幹」的講義。講義、slides、6 支錄影、lab notebook 與官方解答全部公開,是 A3 足以自學。缺的只有兩塊:lab 繳交走 Canvas 裡的 Gradescope,只有 MIT 修課生能用;第 5 講離散擴散沒有對應 lab。

模擬 ODE 與 SDE|MIT 6.S184 實驗 1

MIT 6.S184 Lab 1 分三部分:先寫 Euler 和 Euler–Maruyama 的 step 函式,再用它們模擬 Brownian motion 與 Ornstein–Uhlenbeck 過程,觀察 σ 和 θ 怎麼決定軌跡與終點分佈,最後實作 Langevin dynamics,看一團點怎麼被推向一個五峰高斯混合,並用一段手算證明 OU 過程就是目標為高斯的 Langevin dynamics。題目、程式框架與官方解答都在 GitHub;校外讀者沒有 Gradescope 評分,只能自己對解答。

親手寫 flow matching 與 score matching|MIT 6.S184 實驗 2

Lab 2 把講義 §3–4 寫成 PyTorch:先實作高斯條件路徑、條件向量場、條件分數,再用兩個幾乎一樣的 trainer 分別做 flow matching 和 score matching,接著用 Proposition 1 從學到的向量場換算出分數,最後換成線性路徑,讓一個圓環分佈流成棋盤格。全部在 2D 玩具資料上跑。README 記載 1/11/26 修過一個 diffusion coefficient 的 bug;2026-09-30 查看時,這個修正只出現在解答 notebook,學生版還沒改,做之前要自己補上。

DiT、VAE 到 latent diffusion|MIT 6.S184 實驗 3

Lab 3 在 MNIST 上從零組出一個有條件的 latent diffusion model,分四段:先用 label dropout 寫 CFG 訓練(在三群高斯混合上驗證),再一塊一塊寫 diffusion transformer(Fourier 時間嵌入、patchify、多頭注意力、adaLN-Zero、depatchify),接著寫一個 VAE,最後把 DiT 搬進 VAE 的 latent 空間訓練。題目與官方解答都公開;繳交走 Canvas 裡的 Gradescope,只有 MIT 修課生能用。

生成就是取樣,ODE 與 SDE 是機器|MIT 6.S184 第 1 堂

MIT 6.S184 第 1 講先把「生成一張狗的圖」改寫成「從資料分佈取樣」,再給出取樣的機器:從高斯雜訊出發,沿著神經網路給的向量場模擬一條 ODE(flow model),或在每一步再加一點 Brownian motion 的雜訊,變成 SDE(diffusion model)。實際模擬各用一個最簡單的數值方法:Euler 和 Euler–Maruyama。怎麼訓練那個向量場,留到第 2 講。

Flow matching,從條件路徑學邊際向量場|MIT 6.S184 第 2 堂

我們想學的是「邊際向量場」:沿著它跑 ODE,雜訊會流成資料。問題是它要對整個資料集積分,算不出來。Flow matching 的解法是改成回歸「條件向量場」,也就是只把雜訊推向單一資料點的那個場,這個有公式。講義 Theorem 12 證明兩個 loss 只差一個常數、梯度相同。落到 CondOT 路徑上,訓練只剩一行:取資料 z、雜訊 ε、時間 t,讓網路在 tz+(1−t)ε 這個點預測 z−ε。

A:分數函數、SDE 取樣與 score matching|MIT 6.S184 第 3 堂

分數函數是 log 密度的梯度,指向機率上升最快的方向。在高斯路徑上,它和上一講的向量場都是 x 與 z 的線性函數,所以可以互相換算(講義 Proposition 1):學會一個,就等於學會另一個。有了分數,就能在 ODE 上加任意強度的雜訊變成 SDE,而且每個時刻的分佈不變(Theorem 17)。分數本身也能用跟 flow matching 同一招學:回歸條件分數。這在高斯路徑上等於讓網路預測當初加進去的雜訊,也就是 DDPM 的訓練目標。

B:Guidance 與 classifier-free guidance|MIT 6.S184 第 3 堂

把 prompt 當成神經網路的額外輸入,理論上就能從 p_data(x|y) 取樣,但實際生成的圖不夠貼 prompt。第 3B 講用 Bayes 定理把有條件向量場拆成「無條件向量場+一個分類器梯度」,把分類器那項放大 w 倍就是 classifier guidance;再把分類器換成「有條件減無條件」的差,就得到不用訓練分類器的 CFG:ũ = (1−w)·u(x|∅) + w·u(x|y)。訓練只要以機率 η 把標籤換成空標籤 ∅。代價是每一步要呼叫網路兩次,而且 w>1 之後就不再是從資料分佈取樣。

U-Net、DiT 與 latent space|MIT 6.S184 第 4 堂

前幾講的演算法已經完整,第 4 講處理規模化時的兩個工程問題。第一,網路要吃圖片、時間 t 和 prompt 三種輸入,吐出一樣大的向量場,所以用 U-Net 或 diffusion transformer(DiT),時間用 Fourier 特徵嵌入、文字用凍結的 CLIP/T5 嵌入。第二,像素空間太大,所以先訓練一個 VAE 把圖壓進 latent space,在那裡做 flow matching,最後再解碼。Stable Diffusion 3 與 Meta Movie Gen Video 都是這套配方:latent 空間裡的 flow matching+DiT 變體+CFG。

離散擴散,用 CTMC 生成語言|MIT 6.S184 第 5 堂

文字是一串離散 token,沒有方向可以走,ODE 和 SDE 都不存在。第 5 講把前四講的配方原封不動搬過來,只換掉底層的隨機過程:向量場換成 rate matrix,ODE 換成連續時間馬可夫鏈(CTMC),continuity equation 換成 Kolmogorov forward equation。用 factorized mixture path 當機率路徑時,要學的邊際 rate matrix 只剩一個未知數:給定加噪句子,每個位置原本是哪個 token 的機率。於是訓練離散擴散模型變成對每個位置做分類,loss 就是 cross-entropy;把雜訊設成全部 [mask],就得到 masked diffusion language model。