Block Quantization (BQ) enables efficient LLM inference by quantizing both weights and activations, but its design space remains underexplored. Through hardware-accuracy design space exploration, we identify block size as a key trade-off: larger blocks improve hardware efficiency by amortizing dequantization and accumulation costs, but degrade accuracy. Motivated by this insight, we propose Hierarchical Block Quantization (HBQ), which combines large blocks with low-overhead significand (SIG) scaling for second-level quantization. SIG scaling effectively compensates for large-block quantization errors while accounting for distinct weight and activation distributions. HBQ-A achieves W4A16-level accuracy with W4A5 and lower area than NVFP4, while HBQ-E further reduces hardware cost by 17% while outperforming existing BQ methods in accuracy. We implement HBQ for weights, activations, and KV cache in a 28nm ASIC accelerator and introduce partial-sum BQ to reduce EMA energy. At comparable accuracy, HBQ achieves 2.3x/4.6x higher area/energy efficiency than state-of-the-art weight-only quantization and 1.6-3.3x lower system energy with 1.5-3x speedup over prior BQ methods. Our implementation is publicly available at: https://github.com/SeoLabCornell/HBQ.git.


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