设计在边缘硬件上运行的深神经网络（DNN）仍然是一个挑战。社区已经采用了标准设计来促进神经网络模型的部署。但是，并不是很强调适应网络拓扑以适合硬件约束。在本文中，我们适应了移动硬件平台MobilenetV2的最广泛使用的架构之一，并研究了更改其拓扑结构并应用后培训后量化的影响。我们讨论了改编和模型在嵌入式硬件平台上进行面部检测的影响。

Deep neural networks (DNNs) are currently widely used for many artificial intelligence (AI) applications including computer vision, speech recognition, and robotics. While DNNs deliver state-of-the-art accuracy on many AI tasks, it comes at the cost of high computational complexity. Accordingly, techniques that enable efficient processing of DNNs to improve energy efficiency and throughput without sacrificing application accuracy or increasing hardware cost are critical to the wide deployment of DNNs in AI systems.This article aims to provide a comprehensive tutorial and survey about the recent advances towards the goal of enabling efficient processing of DNNs. Specifically, it will provide an overview of DNNs, discuss various hardware platforms and architectures that support DNNs, and highlight key trends in reducing the computation cost of DNNs either solely via hardware design changes or via joint hardware design and DNN algorithm changes. It will also summarize various development resources that enable researchers and practitioners to quickly get started in this field, and highlight important benchmarking metrics and design considerations that should be used for evaluating the rapidly growing number of DNN hardware designs, optionally including algorithmic co-designs, being proposed in academia and industry.The reader will take away the following concepts from this article: understand the key design considerations for DNNs; be able to evaluate different DNN hardware implementations with benchmarks and comparison metrics; understand the trade-offs between various hardware architectures and platforms; be able to evaluate the utility of various DNN design techniques for efficient processing; and understand recent implementation trends and opportunities.

While machine learning is traditionally a resource intensive task, embedded systems, autonomous navigation, and the vision of the Internet of Things fuel the interest in resource-efficient approaches. These approaches aim for a carefully chosen trade-off between performance and resource consumption in terms of computation and energy. The development of such approaches is among the major challenges in current machine learning research and key to ensure a smooth transition of machine learning technology from a scientific environment with virtually unlimited computing resources into everyday's applications. In this article, we provide an overview of the current state of the art of machine learning techniques facilitating these real-world requirements. In particular, we focus on deep neural networks (DNNs), the predominant machine learning models of the past decade. We give a comprehensive overview of the vast literature that can be mainly split into three non-mutually exclusive categories: (i) quantized neural networks, (ii) network pruning, and (iii) structural efficiency. These techniques can be applied during training or as post-processing, and they are widely used to reduce the computational demands in terms of memory footprint, inference speed, and energy efficiency. We also briefly discuss different concepts of embedded hardware for DNNs and their compatibility with machine learning techniques as well as potential for energy and latency reduction. We substantiate our discussion with experiments on well-known benchmark datasets using compression techniques (quantization, pruning) for a set of resource-constrained embedded systems, such as CPUs, GPUs and FPGAs. The obtained results highlight the difficulty of finding good trade-offs between resource efficiency and predictive performance.

Due to object detection's close relationship with video analysis and image understanding, it has attracted much research attention in recent years. Traditional object detection methods are built on handcrafted features and shallow trainable architectures. Their performance easily stagnates by constructing complex ensembles which combine multiple low-level image features with high-level context from object detectors and scene classifiers. With the rapid development in deep learning, more powerful tools, which are able to learn semantic, high-level, deeper features, are introduced to address the problems existing in traditional architectures. These models behave differently in network architecture, training strategy and optimization function, etc. In this paper, we provide a review on deep learning based object detection frameworks. Our review begins with a brief introduction on the history of deep learning and its representative tool, namely Convolutional Neural Network (CNN). Then we focus on typical generic object detection architectures along with some modifications and useful tricks to improve detection performance further. As distinct specific detection tasks exhibit different characteristics, we also briefly survey several specific tasks, including salient object detection, face detection and pedestrian detection. Experimental analyses are also provided to compare various methods and draw some meaningful conclusions. Finally, several promising directions and tasks are provided to serve as guidelines for future work in both object detection and relevant neural network based learning systems.

机器学习的进步为低端互联网节点（例如微控制器）带来了新的机会，将情报带入了情报。传统的机器学习部署具有较高的记忆力，并计算足迹阻碍了其在超资源约束的微控制器上的直接部署。本文强调了为MicroController类设备启用机载机器学习的独特要求。研究人员为资源有限的应用程序使用专门的模型开发工作流程，以确保计算和延迟预算在设备限制之内，同时仍保持所需的性能。我们表征了微控制器类设备的机器学习模型开发的广泛适用的闭环工作流程，并表明几类应用程序采用了它的特定实例。我们通过展示多种用例，将定性和数值见解介绍到模型开发的不同阶段。最后，我们确定了开放的研究挑战和未解决的问题，要求仔细考虑前进。

我们日常生活中的深度学习是普遍存在的，包括自驾车，虚拟助理，社交网络服务，医疗服务，面部识别等，但是深度神经网络在训练和推理期间需要大量计算资源。该机器学习界主要集中在模型级优化（如深度学习模型的架构压缩），而系统社区则专注于实施级别优化。在其间，在算术界中提出了各种算术级优化技术。本文在模型，算术和实施级技术方面提供了关于资源有效的深度学习技术的调查，并确定了三种不同级别技术的资源有效的深度学习技术的研究差距。我们的调查基于我们的资源效率度量定义，阐明了较低级别技术的影响，并探讨了资源有效的深度学习研究的未来趋势。

深度学习技术在各种任务中都表现出了出色的有效性，并且深度学习具有推进多种应用程序（包括在边缘计算中）的潜力，其中将深层模型部署在边缘设备上，以实现即时的数据处理和响应。一个关键的挑战是，虽然深层模型的应用通常会产生大量的内存和计算成本，但Edge设备通常只提供非常有限的存储和计算功能，这些功能可能会在各个设备之间差异很大。这些特征使得难以构建深度学习解决方案，以释放边缘设备的潜力，同时遵守其约束。应对这一挑战的一种有希望的方法是自动化有效的深度学习模型的设计，这些模型轻巧，仅需少量存储，并且仅产生低计算开销。该调查提供了针对边缘计算的深度学习模型设计自动化技术的全面覆盖。它提供了关键指标的概述和比较，这些指标通常用于量化模型在有效性，轻度和计算成本方面的水平。然后，该调查涵盖了深层设计自动化技术的三类最新技术：自动化神经体系结构搜索，自动化模型压缩以及联合自动化设计和压缩。最后，调查涵盖了未来研究的开放问题和方向。

深神经网络（DNNS）在各种机器学习（ML）应用程序中取得了巨大成功，在计算机视觉，自然语言处理和虚拟现实等中提供了高质量的推理解决方案。但是，基于DNN的ML应用程序也带来计算和存储要求的增加了很多，对于具有有限的计算/存储资源，紧张的功率预算和较小形式的嵌入式系统而言，这尤其具有挑战性。挑战还来自各种特定应用的要求，包括实时响应，高通量性能和可靠的推理准确性。为了应对这些挑战，我们介绍了一系列有效的设计方法，包括有效的ML模型设计，定制的硬件加速器设计以及硬件/软件共同设计策略，以启用嵌入式系统上有效的ML应用程序。

近年来，边缘计算设备和人工智能应用程序的数量过多。在边缘计算中，决策过程和计算从服务器转移到边缘设备。因此，需要便宜和低电源设备。 FPGA具有非常低的功率，倾向于进行平行操作和用于运行卷积神经网络（CNN）的非常合适的设备，这是人工智能应用程序的基本单位。监视系统上的面部检测是安全市场上最期待的应用。在这项工作中，重新设计了Tinyyolov3体系结构并部署了面部检测。它是一种基于CNN的对象检测方法，并为嵌入式系统开发。 Pynq-Z2被选为具有低端Xilinx Zynq 7020 System-On-Chip（SOC）的目标板。重新设计的TinyYolov3模型是用Brevitas库以许多位宽度精度定义的，Brevitas库将基本的CNN层和激活以整数量化形式。然后，使用宽面数据集对模型进行了量化结构的训练。为了减少延迟和功耗，FPGA的ONCHIP内存被配置为整个网络参数的存储，最后一个激活函数被修改为重新定制的Harttanh而不是Sigmoid。同样，高度的并行性应用于FPGA的逻辑资源。使用FINN Framework和Finn-HLS库将模型转换为基于HLS的应用程序，其中包括C ++中的图层定义。后来，该模型被合成和部署。 SOC的CPU采用多线程机制，负责预处理，后处理和TCP/IP流操作。因此，使用4位精确模型可实现2.4瓦总板的功耗，每秒18帧（FPS）吞吐量和0.757地图精度率。

我们介绍了MLPERF小型推理基准（FPGA）平台上MLPERF微小的推理基准的最新结果。我们使用开源HLS4ML和Finn工作流，旨在使FPGA中优化神经网络的AI硬件代码民主化。我们介绍关键字发现，异常检测和图像分类基准任务的设计和实现过程。最终的硬件实现是针对速度和效率量身定制的，可配置的，可配置的空间数据流体系结构，并引入了新的通用优化和作为本工作的一部分开发的常见工作流程。完整的工作流程从量化感知培训到FPGA实施。该解决方案部署在芯片（PYNQ-Z2）和纯FPGA（ARTY A7-100T）平台上。由此产生的提交的潜伏期低至20 $ \ mu $ s和每次推论的低至30 $ \ mu $ j的能耗。我们展示了异质硬件平台上新兴的ML基准如何催化协作和开发新技术和更容易访问的工具。

The rising popularity of intelligent mobile devices and the daunting computational cost of deep learning-based models call for efficient and accurate on-device inference schemes. We propose a quantization scheme that allows inference to be carried out using integer-only arithmetic, which can be implemented more efficiently than floating point inference on commonly available integer-only hardware. We also co-design a training procedure to preserve end-to-end model accuracy post quantization. As a result, the proposed quantization scheme improves the tradeoff between accuracy and on-device latency. The improvements are significant even on MobileNets, a model family known for run-time efficiency, and are demonstrated in ImageNet classification and COCO detection on popular CPUs.

面部检测是为了在图像中搜索面部的所有可能区域，并且如果有任何情况，则定位面部。包括面部识别，面部表情识别，面部跟踪和头部姿势估计的许多应用假设面部的位置和尺寸在图像中是已知的。近几十年来，研究人员从Viola-Jones脸上检测器创造了许多典型和有效的面部探测器到当前的基于CNN的CNN。然而，随着图像和视频的巨大增加，具有面部刻度的变化，外观，表达，遮挡和姿势，传统的面部探测器被挑战来检测野外面孔的各种“脸部。深度学习技术的出现带来了非凡的检测突破，以及计算的价格相当大的价格。本文介绍了代表性的深度学习的方法，并在准确性和效率方面提出了深度和全面的分析。我们进一步比较并讨论了流行的并挑战数据集及其评估指标。进行了几种成功的基于深度学习的面部探测器的全面比较，以使用两个度量来揭示其效率：拖鞋和延迟。本文可以指导为不同应用选择合适的面部探测器，也可以开发更高效和准确的探测器。

深神网络的对象探测器正在不断发展，并用于多种应用程序，每个应用程序都有自己的要求集。尽管关键安全应用需要高准确性和可靠性，但低延迟任务需要资源和节能网络。不断提出了实时探测器，在高影响现实世界中是必需的，但是它们过分强调了准确性和速度的提高，而其他功能（例如多功能性，鲁棒性，资源和能源效率）则被省略。现有网络的参考基准不存在，设计新网络的标准评估指南也不存在，从而导致比较模棱两可和不一致的比较。因此，我们对广泛的数据集进行了多个实时探测器（基于锚点，关键器和变压器）的全面研究，并报告了一系列广泛指标的结果。我们还研究了变量，例如图像大小，锚固尺寸，置信阈值和架构层对整体性能的影响。我们分析了检测网络的鲁棒性，以防止分配变化，自然腐败和对抗性攻击。此外，我们提供了校准分析来评估预测的可靠性。最后，为了强调现实世界的影响，我们对自动驾驶和医疗保健应用进行了两个独特的案例研究。为了进一步衡量关键实时应用程序中网络的能力，我们报告了在Edge设备上部署检测网络后的性能。我们广泛的实证研究可以作为工业界对现有网络做出明智选择的指南。我们还希望激发研究社区的设计和评估网络的新方向，该网络着重于更大而整体的概述，以实现深远的影响。

我们向开放的神经网络交换（ONNX）中间表示格式提出扩展，以表示任意量化的量化神经网络。我们首先通过利用整数剪辑来引入对现有基于ONX的量化格式低精度量化的支持，从而产生了两个新的向后兼容的变体：带有剪辑和量化clip-dequantize（QCDQ）格式的量化运算符格式。然后，我们引入了一种新型的高级ONNX格式，称为量化ONNX（QONNX），该格式介绍了三个新运算符 - Quant，Biporlquant和Trunc，以表示均匀的量化。通过保持QONNX IR高级和灵活性，我们可以针对更广泛的平台。我们还介绍了与QONNX合作的实用程序，以及其在FINN和HLS4ML工具链中使用的示例。最后，我们介绍了QONNX模型动物园，以共享低精确的量化神经网络。

关键字斑点（kWs）是一个重要的功能，使我们的周围环境中许多无处不在的智能设备进行交互，可以通过唤醒词或直接作为人机界面激活它们。对于许多应用程序，KWS是我们与设备交互的进入点，因此，始终是ON工作负载。许多智能设备都是移动的，并且它们的电池寿命受到持续运行的服务受到严重影响。因此，KWS和类似的始终如一的服务是在优化整体功耗时重点。这项工作解决了低成本微控制器单元（MCU）的KWS节能。我们将模拟二元特征提取与二元神经网络相结合。通过用拟议的模拟前端取代数字预处理，我们表明数据采集和预处理所需的能量可以减少29倍，将其份额从主导的85％的份额削减到仅为我们的整体能源消耗的16％参考KWS应用程序。语音命令数据集的实验评估显示，所提出的系统分别优于最先进的准确性和能效，在10级数据集中分别在10级数据集上达到1％和4.3倍，同时提供令人信服的精度 - 能源折衷包括71倍能量减少2％的精度下降。

本文介绍了有关如何架构，设计和优化深神经网络（DNN）的最新概述，以提高性能并保留准确性。该论文涵盖了一组跨越整个机器学习处理管道的优化。我们介绍两种类型的优化。第一个改变了DNN模型，需要重新训练，而第二个则不训练。我们专注于GPU优化，但我们认为提供的技术可以与其他AI推理平台一起使用。为了展示DNN模型优化，我们在流行的Edge AI推理平台（Nvidia Jetson Agx Xavier）上改善了光流的最先进的深层网络体系结构之一，RAFT ARXIV：2003.12039。

现在，诸如无人机之类的无人机，从捕获和目标检测的各种目的中，从Ariel Imagery等捕获和目标检测的各种目的很大使用。轻松进入这些小的Ariel车辆到公众可能导致严重的安全威胁。例如，可以通过使用无人机在公共公共场合中混合的间谍来监视关键位置。在手中研究提出了一种改进和高效的深度学习自治系统，可以以极大的精度检测和跟踪非常小的无人机。建议的系统由自定义深度学习模型Tiny Yolov3组成，其中一个非常快速的物体检测模型的口味之一，您只能构建并用于检测一次（YOLO）。物体检测算法将有效地检测无人机。与以前的Yolo版本相比，拟议的架构表现出显着更好的性能。在资源使用和时间复杂性方面观察到改进。使用召回和精度分别为93％和91％的测量来测量性能。

当今的大多数计算机视觉管道都是围绕深神经网络构建的，卷积操作需要大部分一般的计算工作。与标准算法相比，Winograd卷积算法以更少的MAC计算卷积，当使用具有2x2尺寸瓷砖$ F_2 $的版本时，3x3卷积的操作计数为2.25倍。即使收益很大，Winograd算法具有较大的瓷砖尺寸，即$ f_4 $，在提高吞吐量和能源效率方面具有更大的潜力，因为它将所需的MAC降低了4倍。不幸的是，具有较大瓷砖尺寸的Winograd算法引入了数值问题，这些问题阻止了其在整数域特异性加速器上的使用和更高的计算开销，以在空间和Winograd域之间转换输入和输出数据。为了解锁Winograd $ F_4 $的全部潜力，我们提出了一种新颖的Tap-Wise量化方法，该方法克服了使用较大瓷砖的数值问题，从而实现了仅整数的推断。此外，我们介绍了以功率和区域效率的方式处理Winograd转换的自定义硬件单元，并展示了如何将此类自定义模块集成到工业级，可编程的DSA中。对大量最先进的计算机视觉基准进行了广泛的实验评估表明，Tap-Wise量化算法使量化的Winograd $ F_4 $网络几乎与FP32基线一样准确。 Winograd增强的DSA可实现高达1.85倍的能源效率，最高可用于最先进的细分和检测网络的端到端速度高达1.83倍。

胶囊网络（CAPSNET）是图像处理的新兴趋势。与卷积神经网络相反，CAPSNET不容易受到对象变形的影响，因为对象的相对空间信息在整个网络中保存。但是，它们的复杂性主要与胶囊结构和动态路由机制有关，这使得以其原始形式部署封闭式以由小型微控制器（MCU）供电的设备几乎是不合理的。在一个智力从云到边缘迅速转移的时代，这种高复杂性对在边缘的采用capsnets的采用构成了严重的挑战。为了解决此问题，我们提出了一个API，用于执行ARM Cortex-M和RISC-V MCUS中的量化capsnet。我们的软件内核扩展了ARM CMSIS-NN和RISC-V PULP-NN，以用8位整数作为操作数支持胶囊操作。随之而来的是，我们提出了一个框架，以执行CAPSNET的训练后量化。结果显示，记忆足迹的减少近75％，准确性损失范围从0.07％到0.18％。在吞吐量方面，我们的ARM Cortex-M API可以分别在仅119.94和90.60毫秒（MS）的中型胶囊和胶囊层执行（STM32H7555ZIT6U，Cortex-M7 @ 480 MHz）。对于GAP-8 SOC（RISC-V RV32IMCXPULP @ 170 MHz），延迟分别降至7.02和38.03 ms。

混合精确的深神经网络达到了硬件部署所需的能源效率和吞吐量，尤其是在资源有限的情况下，而无需牺牲准确性。但是，不容易找到保留精度的最佳每层钻头精度，尤其是在创建巨大搜索空间的大量模型，数据集和量化技术中。为了解决这一困难，最近出现了一系列文献，并且已经提出了一些实现有希望的准确性结果的框架。在本文中，我们首先总结了文献中通常使用的量化技术。然后，我们对混合精液框架进行了彻底的调查，该调查是根据其优化技术进行分类的，例如增强学习和量化技术，例如确定性舍入。此外，讨论了每个框架的优势和缺点，我们在其中呈现并列。我们最终为未来的混合精液框架提供了指南。