突破瓶頸！北航ETH等首次將擴散模型完全量化至1bit，28倍存儲節省+52.7倍效率提升

從時間和空間優化擴散模型

原標題：突破瓶頸！北航ETH等首次將擴散模型完全量化至1bit，28倍存儲節省+52.7倍效率提升
文章來源：量子位
內容字數：13960字

BiDM: 將擴散模型量化到1比特極限，實現SOTA

來自北航、ETH等機構的研究人員提出了一種名為BiDM的新方法，首次將擴散模型（DMs）的權重和激活完全二值化，并在圖像生成任務中取得了顯著的性能提升，創造了新的SOTA。

1. 擴散模型量化的挑戰

擴散模型因其高質量的生成能力而備受關注，但其高計算成本限制了其在資源受限場景下的應用。模型壓縮，特別是量化，成為關鍵。現有研究主要集中在權重量化，而對權重和激活同時進行1比特量化（完全二值化）則極具挑戰性：擴散模型的中間表示與時間步密切相關，高度動態的激活范圍在二值化后難以保持；同時，生成模型需要輸出完整的圖像，高度離散的參數和特征空間使得訓練過程難以收斂。

2. BiDM方法的創新

BiDM旨在克服完全二值化帶來的挑戰，包含兩項主要創新：

1. 時間步友好二值結構 (TBS): 針對擴散模型激活特征與時間步高度相關的特點，TBS利用可學習的激活二值化器匹配動態激活范圍，并設計跨時間步的特征連接，利用相鄰時間步特征相似性增強表示能力。
2. 空間分塊蒸餾 (SPD): 針對圖像生成任務的空間局部性，SPD將特征劃分為小塊，并對每個小塊計算空間自注意力，引導二值擴散模型更好地學習局部特征，從而更有效地進行蒸餾。

TBS通過可學習的縮放因子和跨時間步連接，自適應地調整激活范圍并利用時間步之間的相似性。SPD則通過空間分塊和自注意力機制，更有效地進行蒸餾，從而提升模型性能。

3. 實驗結果與分析

實驗結果表明，BiDM在多個數據集（CIFAR-10,LSUN-Bedrooms,LSUN-Churches,FFHQ）和模型（像素空間擴散模型和潛在空間擴散模型）上均取得了顯著的性能提升，遠超現有SOTA方法。例如，在LSUN-Bedrooms 256×256數據集上，BiDM的FID分數為22.74，遠低于現有最佳基線方法的59.44，同時實現了28倍的存儲節省和52.7倍的操作效率提升。

消融實驗驗證了TBS和SPD的有效性，兩者結合能取得最佳效果。效率分析也表明BiDM在極高的壓縮率下仍能保持良好的生成質量。

4. 結論

BiDM是首個實現擴散模型完全二值化的成功方法，它在極端壓縮率下取得了令人印象深刻的生成性能，為擴散模型在資源受限場景下的應用提供了新的可能性。

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