Implementing contextual biasing in GPU decoder for online ASR

GPU decoding significantly accelerates the output of ASR predictions. While GPUs are already being used for online ASR decoding, post-processing and rescoring on GPUs have not been properly investigated yet. Rescoring with available contextual information can considerably improve ASR predictions. Previous studies have proven the viability of lattice rescoring in decoding and biasing language model (LM) weights in offline and online CPU scenarios. In real-time GPU decoding, partial recognition hypotheses are produced without lattice generation, which makes the implementation of biasing more complex. The paper proposes and describes an approach to integrate contextual biasing in real-time GPU decoding while exploiting the standard Kaldi GPU decoder. Besides the biasing of partial ASR predictions, our approach also permits dynamic context switching allowing a flexible rescoring per each speech segment directly on GPU. The code is publicly released and tested with open-sourced test sets.Comment: Accepted to Interspeech 202

CTC Variations Through New WFST Topologies

This paper presents novel Weighted Finite-State Transducer (WFST) topologies to implement Connectionist Temporal Classification (CTC)-like algorithms for automatic speech recognition. Three new CTC variants are proposed: (1) the "compact-CTC", in which direct transitions between units are replaced with back-off transitions; (2) the "minimal-CTC", that only adds self-loops when used in WFST-composition; and (3) the "selfless-CTC" variants, which disallows self-loop for non-blank units. Compact-CTC allows for 1.5 times smaller WFST decoding graphs and reduces memory consumption by two times when training CTC models with the LF-MMI objective without hurting the recognition accuracy. Minimal-CTC reduces graph size and memory consumption by two and four times for the cost of a small accuracy drop. Using selfless-CTC can improve the accuracy for wide context window models.Comment: Submitted to Interspeech 2022, 5 pages, 2 figures, 7 table

Ultra low-power, high-performance accelerator for speech recognition

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

Streaming Automatic Speech Recognition with Hybrid Architectures and Deep Neural Network Models

Tesis por compendio[ES] Durante la última década, los medios de comunicación han experimentado una revolución, alejándose de la televisión convencional hacia las plataformas de contenido bajo demanda. Además, esta revolución no ha cambiado solamente la manera en la que nos entretenemos, si no también la manera en la que aprendemos. En este sentido, las plataformas de contenido educativo bajo demanda también han proliferado para proporcionar recursos educativos de diversos tipos. Estas nuevas vías de distribución de contenido han llegado con nuevos requisitos para mejorar la accesibilidad, en particular las relacionadas con las dificultades de audición y las barreras lingüísticas. Aquí radica la oportunidad para el reconocimiento automático del habla (RAH) para cumplir estos requisitos, proporcionando subtitulado automático de alta calidad. Este subtitulado proporciona una base sólida para reducir esta brecha de accesibilidad, especialmente para contenido en directo o streaming. Estos sistemas de streaming deben trabajar bajo estrictas condiciones de tiempo real, proporcionando la subtitulación tan rápido como sea posible, trabajando con un contexto limitado. Sin embargo, esta limitación puede conllevar una degradación de la calidad cuando se compara con los sistemas para contenido en diferido u offline. Esta tesis propone un sistema de RAH en streaming con baja latencia, con una calidad similar a un sistema offline. Concretamente, este trabajo describe el camino seguido desde el sistema offline híbrido inicial hasta el eficiente sistema final de reconocimiento en streaming. El primer paso es la adaptación del sistema para efectuar una sola iteración de reconocimiento haciendo uso de modelos de lenguaje estado del arte basados en redes neuronales. En los sistemas basados en múltiples iteraciones estos modelos son relegados a una segunda (o posterior) iteración por su gran coste computacional. Tras adaptar el modelo de lenguaje, el modelo acústico basado en redes neuronales también tiene que adaptarse para trabajar con un contexto limitado. La integración y la adaptación de estos modelos es ampliamente descrita en esta tesis, evaluando el sistema RAH resultante, completamente adaptado para streaming, en conjuntos de datos académicos extensamente utilizados y desafiantes tareas basadas en contenidos audiovisuales reales. Como resultado, el sistema proporciona bajas tasas de error con un reducido tiempo de respuesta, comparables al sistema offline.[CA] Durant l'última dècada, els mitjans de comunicació han experimentat una revolució, allunyant-se de la televisió convencional cap a les plataformes de contingut sota demanda. A més a més, aquesta revolució no ha canviat només la manera en la que ens entretenim, si no també la manera en la que aprenem. En aquest sentit, les plataformes de contingut educatiu sota demanda també han proliferat pera proporcionar recursos educatius de diversos tipus. Aquestes noves vies de distribució de contingut han arribat amb nous requisits per a millorar l'accessibilitat, en particular les relacionades amb les dificultats d'audició i les barreres lingüístiques. Aquí radica l'oportunitat per al reconeixement automàtic de la parla (RAH) per a complir aquests requisits, proporcionant subtitulat automàtic d'alta qualitat. Aquest subtitulat proporciona una base sòlida per a reduir aquesta bretxa d'accessibilitat, especialment per a contingut en directe o streaming. Aquests sistemes han de treballar sota estrictes condicions de temps real, proporcionant la subtitulació tan ràpid com sigui possible, treballant en un context limitat. Aquesta limitació, però, pot comportar una degradació de la qualitat quan es compara amb els sistemes per a contingut en diferit o offline. Aquesta tesi proposa un sistema de RAH en streaming amb baixa latència, amb una qualitat similar a un sistema offline. Concretament, aquest treball descriu el camí seguit des del sistema offline híbrid inicial fins l'eficient sistema final de reconeixement en streaming. El primer pas és l'adaptació del sistema per a efectuar una sola iteració de reconeixement fent servir els models de llenguatge de l'estat de l'art basat en xarxes neuronals. En els sistemes basats en múltiples iteracions aquests models son relegades a una segona (o posterior) iteració pel seu gran cost computacional. Un cop el model de llenguatge s'ha adaptat, el model acústic basat en xarxes neuronals també s'ha d'adaptar per a treballar amb un context limitat. La integració i l'adaptació d'aquests models és àmpliament descrita en aquesta tesi, avaluant el sistema RAH resultant, completament adaptat per streaming, en conjunts de dades acadèmiques àmpliament utilitzades i desafiants tasques basades en continguts audiovisuals reals. Com a resultat, el sistema proporciona baixes taxes d'error amb un reduït temps de resposta, comparables al sistema offline.[EN] Over the last decade, the media have experienced a revolution, turning away from the conventional TV in favor of on-demand platforms. In addition, this media revolution not only changed the way entertainment is conceived but also how learning is conducted. Indeed, on-demand educational platforms have also proliferated and are now providing educational resources on diverse topics. These new ways to distribute content have come along with requirements to improve accessibility, particularly related to hearing difficulties and language barriers. Here is the opportunity for automatic speech recognition (ASR) to comply with these requirements by providing high-quality automatic captioning. Automatic captioning provides a sound basis for diminishing the accessibility gap, especially for live or streaming content. To this end, streaming ASR must work under strict real-time conditions, providing captions as fast as possible, and working with limited context. However, this limited context usually leads to a quality degradation as compared to the pre-recorded or offline content. This thesis is aimed at developing low-latency streaming ASR with a quality similar to offline ASR. More precisely, it describes the path followed from an initial hybrid offline system to an efficient streaming-adapted system. The first step is to perform a single recognition pass using a state-of-the-art neural network-based language model. In conventional multi-pass systems, this model is often deferred to the second or later pass due to its computational complexity. As with the language model, the neural-based acoustic model is also properly adapted to work with limited context. The adaptation and integration of these models is thoroughly described and assessed using fully-fledged streaming systems on well-known academic and challenging real-world benchmarks. In brief, it is shown that the proposed adaptation of the language and acoustic models allows the streaming-adapted system to reach the accuracy of the initial offline system with low latency.Jorge Cano, J. (2022). Streaming Automatic Speech Recognition with Hybrid Architectures and Deep Neural Network Models [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191001Compendi

Ultra low-power, high-performance accelerator for speech recognition

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.Postprint (published version