Ultra low-power, high-performance accelerator for speech recognition
Authors:   , Yazdani Aminabadi Reza 
Published: July 2023

Automatic Speech Recognition (ASR) is undoubtedly one of the most important and interesting applications in the cutting-edge era of Deep-learning deployment, especially in the mobile segment. Fast and accurate ASR comes at a high energy cost, requiring huge memory storage and computational power, which is not affordable for the tiny power budget of mobile devices.
Hardware acceleration can reduce power consumption of ASR systems as well as reducing its memory pressure, while delivering high-performance.
In this thesis, we present a customized accelerator for large-vocabulary, speaker-independent, continuous speech recognition. A state-of-the-art ASR system consists of two major components: acoustic-scoring using DNN and speech-graph decoding using Viterbi search. As the first step, we focus on the Viterbi search algorithm, that represents the main bottleneck in the ASR system.
The accelerator includes some innovative techniques to improve the memory subsystem, which is the main bottleneck for performance and power, such as a prefetching scheme and a novel bandwidth saving technique tailored to the needs of ASR.
Furthermore, as the speech graph is vast taking more than 1-Gigabyte memory space, we propose to change its representation by partitioning it into several sub-graphs and perform an on-the-fly composition during the Viterbi run-time. This approach together with some simple yet efficient compression techniques result in 31x memory footprint reduction, providing 155x real-time speedup and orders of magnitude power and energy saving compared to CPUs and GPUs.
In the next step, we propose a novel hardware-based ASR system that effectively integrates a DNN accelerator for the pruned/quantized models with the Viterbi accelerator. We show that, when either pruning or quantizing the DNN model used for acoustic scoring, ASR accuracy is maintained but the execution time of the ASR system is increased by 33%. Although pruning and quantization improves the efficiency of the DNN, they result in a huge increase of activity in the Viterbi search since the output scores of the pruned model are less reliable. In order to avoid the aforementioned increase in Viterbi search workload, our system loosely selects the N-best hypotheses at every time step, exploring only the N most likely paths. Our final solution manages to efficiently combine both DNN and Viterbi accelerators using all their optimizations, delivering 222x real-time ASR with a small power budget of 1.26 Watt, small memory footprint of 41 MB, and a peak memory bandwidth of 381 MB/s, being amenable for low-power mobile platforms.

Los sistemas de reconocimiento automático del habla (ASR por sus siglas en inglés, Automatic Speech Recognition) son sin lugar a dudas una de las aplicaciones más relevantes en el área emergente de aprendizaje profundo (Deep Learning), specialmente en el segmento de los dispositivos móviles. Realizar el reconocimiento del habla de forma rápida y precisa tiene un elevado coste en energía, requiere de gran capacidad de memoria y de cómputo, lo cual no es deseable en sistemas móviles que tienen severas restricciones de consumo energético y disipación de potencia. El uso de arquitecturas específicas en forma de aceleradores hardware permite reducir el consumo energético de los sistemas de reconocimiento del habla, al tiempo que mejora el rendimiento y reduce la presión en el sistema de memoria. En esta tesis presentamos un acelerador específicamente diseñado para sistemas de reconocimiento del habla de gran vocabulario, independientes del orador y que funcionan en tiempo real. Un sistema de reconocimiento del habla estado del arte consiste principalmente en dos componentes: el modelo acústico basado en una red neuronal profunda (DNN, Deep Neural Network) y la búsqueda de Viterbi basada en un grafo que representa el lenguaje. Como primer objetivo nos centramos en la búsqueda de Viterbi, ya que representa el principal cuello de botella en los sistemas ASR. El acelerador para el algoritmo de Viterbi incluye técnicas innovadoras para mejorar el sistema de memoria, que es el mayor cuello de botella en rendimiento y energía, incluyendo técnicas de pre-búsqueda y una nueva técnica de ahorro de ancho de banda a memoria principal específicamente diseñada para sistemas ASR. Además, como el grafo que representa el lenguaje requiere de gran capacidad de almacenamiento en memoria (más de 1 GB), proponemos cambiar su representación y dividirlo en distintos grafos que se componen en tiempo de ejecución durante la búsqueda de Viterbi. De esta forma conseguimos reducir el almacenamiento en memoria principal en un factor de 31x, alcanzar un rendimiento 155 veces superior a tiempo real y reducir el consumo energético y la disipación de potencia en varios órdenes de magnitud comparado con las CPUs y las GPUs. En el siguiente paso, proponemos un novedoso sistema hardware para reconocimiento del habla que integra de forma efectiva un acelerador para DNNs podadas y cuantizadas con el acelerador de Viterbi. Nuestros resultados muestran que podar y/o cuantizar el DNN para el modelo acústico permite mantener la precisión pero causa un incremento en el tiempo de ejecución del sistema completo de hasta el 33%. Aunque podar/cuantizar mejora la eficiencia del DNN, éstas técnicas producen un gran incremento en la carga de trabajo de la búsqueda de Viterbi ya que las probabilidades calculadas por el DNN son menos fiables, es decir, se reduce la confianza en las predicciones del modelo acústico. Con el fin de evitar un incremento inaceptable en la carga de trabajo de la búsqueda de Viterbi, nuestro sistema restringe la búsqueda a las N hipótesis más probables en cada paso de la búsqueda. Nuestra solución permite combinar de forma efectiva un acelerador de DNNs con un acelerador de Viterbi incluyendo todas las optimizaciones de poda/cuantización. Nuestro resultados experimentales muestran que dicho sistema alcanza un rendimiento 222 veces superior a tiempo real con una disipación de potencia de 1.26 vatios, unos requisitos de memoria modestos de 41 MB y un uso de ancho de banda a memoria principal de, como máximo, 381 MB/s, ofreciendo una solución adecuada para dispositivos móviles.