Acceleration of automatic speech recognition for low-power devices
Authors:   , Pinto Rivero Dennis 
Published: March 2024

(English) In this thesis, we study the challenges preventing ASR deployment on edge devices and propose innovations to tackle them, hopefully moving the technology a step forward to the future. First, we characterize state-of-the-art hybrid DNN-HMM. After characterizing its execution on a representative low-power platform, we propose a heterogeneous platform that contains an accelerator to perform the DNN inference and another accelerator to perform the graph search. This approach results in 4.5x faster execution and 4.3x less energy consumption when compared to a baseline CPU-GPU low-power platform.

To further improve the performance of ASR, we then look into the run-time properties specific to ASR. When ASR is executed on the edge, it generally decodes audio frame by frame. During some frames, the system contains many hypotheses whereas, in other frames, the number of hypotheses may be significantly lower. We determine that the number of hypotheses, which can be understood as the confidence of the ASR decoder, can be leveraged by reducing the arithmetic precision of the computations during high confidence steps and increasing it during low confidence steps. According to our results, our technique provides 19.5% reduction in execution time while also reducing the energy consumption by about 16.9%, compared to the heterogeneous platform previously described, with degradation of accuracy below 1%.

Hybrid DNN-HMM ASR systems provide outstanding transcription accuracy even in challenging benchmarks. However, Hybrid DNN-HMM ASR is not the only approach to ASR. End-to-end ASR systems have recently reached state-of-the-art accuracy. These systems are based on large neural networks that are trained to generate the set of hypotheses by themselves. This neural network is trained to learn lexical and language relationships between sounds. Neurons in state-of-the-art neural networks are often activated with a ReLU function, which generates, during run-time, abundant zeros. We design Mixture-of-Rookies, a prediction scheme to detect at run-time when a neuron is going to generate a zero. This technique is embedded in a neural network accelerator that avoids computing the neurons when they are predicted to generate a zero. We estimate that this approach can provide a speedup of 1.21x while consuming 17.7% less energy than a baseline accelerator, for a specific end-to-end system. Furthermore, as many neural networks used for other applications contain ReLU, we evaluate our technique with different neural networks and determine that it can provide significant benefits across the board.

Beyond the high-level categories of Hybrid or end-to-end, there are minor variations with often significant impact on transcription accuracy. As more research is conducted, new techniques will keep fine-tuning the algorithms and models for specific use-cases, resulting in a rich collection of alternative systems and techniques for speech recognition. However, this creates an additional challenge for computer architects. An accelerator designed to execute a very specific ASR system will provide huge performance gains but, at the same time, restrict the platform to execute a single ASR system. Furthermore, it risks becoming quickly obsolete, once new ASR techniques hit the market. To tackle this challenge, we propose ASRPU, a programmable ASR accelerator that, taking inspiration from GPUs, enables efficient execution of a wide range of ASR systems and provides a convenient programming model that enables ASR systems to be easily implemented. Our results show that ASRPU can execute state-of-the-art ASR in real-time while consuming less than 1.8W. According to our estimations, the entire accelerator fits in about 12mm² when built from 32nm cell nodes.

(Español) En esta tesis, estudiamos los desafíos que impiden el despliege de los sistemas de reconocimiento de voz en dispositivos de bajo consumo y proponemos innovaciones para solucionarlos. Primero, caracterizamos un sistema estado-del-arte basado en el modelo "hybrid HMM-DNN ASR" ejecutado en una plataforma de bajo consumo.. Después de analizar el sistema, proponemos una plataforma heterogénea que contiene una CPU y varios chips específicos para acelerar la búsqueda en el grafo de decodificación y la inferencia de la red neuronal. Al comparar la ejecución en esta plataforma con la ejecución en un sistema base, hemos comprobado que la plataforma heterogénea resulta en una mejora de 4.5x en tiempo de ejecución y una reducción de 4.3x en el consumo de energía.

Para seguir mejorando el rendimiento de esta plataforma, proponemos una técnica que aprovecha una propiedad dinámica de los sistemas de reconocimiento de voz que llamamos "decoder confidence". A medida que el sistema de reconocimiento va decodificando un audio, este va generando transcripciones alternativas o "hipótesis". Para esta técnica, asumimos que cuando el sistema considera un número bajo de hipótesis su "confianza" es alta, y cuando considera un número alto de hipótesis, su "confianza" es baja. Usando esta información, ajustamos la precisión numérica empleada durante la inferencia de la red neural, ahorrando tiempo de ejecución y energía cuando la precisión es menor, principalmente al reducir los accessos a memoria principal. En nuestros experimentos, esta técnica resulta en una reducción del 19.5% en tiempo de ejecución y una redución del 17.7% en consumo energético, con un aumento del porcentaje de errores en la transcripción inferior al 1%.

En nuestro siguiente trabajo estudiamos un sistema de reconocimiento de voz del tipo "end-to-end". Estos sistemas consisten en una red neural más grande y completa que genera directamente las transcripciones. Debido a la simplicidad del entrenamiento de estos sistemas comparado con los sistemas "hybrid", junto a otras ventajas que presentan, los sistemas "end-to-end" han ganado popularidad en los últimos años y muchos de ellos ya alcanzan resultados estado-del-arte. En esta técnica, aprovechamos que la mayoría de estos sistemas emplean funciones ReLU como activación para las capas internas de la red neuronal. Esta función de activación genera un abundante número de ceros en tiempo de ejecución. En esta técnica, proponemos un predictor, llamado "Mixture-of-rookies" que detecta de antemano cuando la ejecución de una neurona va a resultar en cero. Cuando se da el caso, en vez de ejecutar la neurona, escribimos un cero a su salida, ahorrándonos los cálculos y accesos a memoria que requiere el cálculo de la misma. Para probar que esta técnica se puede aplicar a otros ámbitos, probamos su efectividad en otras redes neuronales de reconocimiento de imágenes, aparte de la red neuronal para reconocimiento de voz. A través de los experimentos que hemos realizado, estimamos que esta técnica proporciona un "speedup" de 1.21x y una redución del 17.7% en consumo de energía de media.

En nuestro último trabajo, diseñamos un accelerador específico para reconocimiento de voz que sea capaz de ejecutar el sistema completo. Nuestro enfoque consiste en proporcionar la máxima flexibilidad, que le permita ejecutar cualquier sistema de reconocimiento de voz, mientras aprovechamos características comunes a la mayoría de sistemas para optimizar su ejecución mediante unidades hardware especializadas. Este acelerador, llamado ASRPU, consiste en un conjunto de unidades de cómputo programables y una serie de unidades específicas y controladores, junto a una jerarquía de memoria optimizada para reconocimiento de voz. De acuerdo con nuestros modelos, una configuración de 1.8W y 12mm² puede ejecutar sistemas de reconocimiento de voz estado-del-arte en tiempo real.