深处神经网络（例如Deep-FSMN）已被广泛研究以用于关键字发现（KWS）应用。但是，这些网络的计算资源通常受到重大限制，因为它们通常在边缘设备上在通话中运行。在本文中，我们提出了BIFSMN，这是KWS的准确且极高的二元神经网络。我们首先为二进制化训练构建了高频增强蒸馏方案，该方案强调了全优先网络表示的高频信息，这对于对二进制网络的优化更为重要。然后，为了在运行时允许即时和自适应的准确性效率折衷，我们还提出了一个可稀薄的二进制架构，以从拓扑角度进一步解放二进制网络的加速潜力。此外，我们在ARMV8设备上为BIFSMN实施了快速的位计算内核，该内核充分利用了寄存器并增加了指令吞吐量以突破部署效率的极限。广泛的实验表明，BIFSMN通过说服各种数据集的利润率优于现有的二进制方法，甚至与全精度对应物相当（例如，语音命令v1-12下降少于3％）。我们强调的是，BIFSMN受益于稀薄的体系结构和优化的1位实现，可以在现实世界中的Edge硬件上实现令人印象深刻的22.3倍加速和15.5倍的存储空间。

模型二进制化是一种压缩神经网络并加速其推理过程的有效方法。但是，1位模型和32位模型之间仍然存在显着的性能差距。实证研究表明，二进制会导致前进和向后传播中的信息损失。我们提出了一个新颖的分布敏感信息保留网络（DIR-NET），该网络通过改善内部传播和引入外部表示，将信息保留在前后传播中。 DIR-NET主要取决于三个技术贡献：（1）最大化二进制（IMB）的信息：最小化信息损失和通过重量平衡和标准化同时同时使用权重/激活的二进制误差； （2）分布敏感的两阶段估计器（DTE）：通过共同考虑更新能力和准确的梯度来通过分配敏感的软近似来保留梯度的信息； （3）代表性二进制 - 意识蒸馏（RBD）：通过提炼完整精确和二元化网络之间的表示来保留表示信息。 DIR-NET从统一信息的角度研究了BNN的前进过程和后退过程，从而提供了对网络二进制机制的新见解。我们的DIR-NET中的三种技术具有多功能性和有效性，可以在各种结构中应用以改善BNN。关于图像分类和客观检测任务的综合实验表明，我们的DIR-NET始终优于主流和紧凑型体系结构（例如Resnet，vgg，vgg，EfficityNet，darts和mobilenet）下最新的二进制方法。此外，我们在现实世界中的资源有限设备上执行DIR-NET，该设备可实现11.1倍的存储空间和5.4倍的速度。

量化是促进硬件友好的深度学习和在资源限制硬件上运行深层神经网络的有效方法。然而，它仍然对网络的准确性显着减少。我们总结了量化分为两类的挑战：对复杂场景的不同架构和量化的量化。我们的研究主要集中在各种架构和场景上应用量化，并推动量化极限，以极度压缩和加速网络。对量化的综合研究将实现更强大，更高效，更灵活的硬件友好的深度学习，并使其更适合更真实的应用。

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.

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。

由于存储器和计算资源有限，部署在移动设备上的卷积神经网络（CNNS）是困难的。我们的目标是通过利用特征图中的冗余来设计包括CPU和GPU的异构设备的高效神经网络，这很少在神经结构设计中进行了研究。对于类似CPU的设备，我们提出了一种新颖的CPU高效的Ghost（C-Ghost）模块，以生成从廉价操作的更多特征映射。基于一组内在的特征映射，我们使用廉价的成本应用一系列线性变换，以生成许多幽灵特征图，可以完全揭示内在特征的信息。所提出的C-Ghost模块可以作为即插即用组件，以升级现有的卷积神经网络。 C-Ghost瓶颈旨在堆叠C-Ghost模块，然后可以轻松建立轻量级的C-Ghostnet。我们进一步考虑GPU设备的有效网络。在建筑阶段的情况下，不涉及太多的GPU效率（例如，深度明智的卷积），我们建议利用阶段明智的特征冗余来制定GPU高效的幽灵（G-GHOST）阶段结构。舞台中的特征被分成两个部分，其中使用具有较少输出通道的原始块处理第一部分，用于生成内在特征，另一个通过利用阶段明智的冗余来生成廉价的操作。在基准测试上进行的实验证明了所提出的C-Ghost模块和G-Ghost阶段的有效性。 C-Ghostnet和G-Ghostnet分别可以分别实现CPU和GPU的准确性和延迟的最佳权衡。代码可在https://github.com/huawei-noah/cv-backbones获得。

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。

Although considerable progress has been obtained in neural network quantization for efficient inference, existing methods are not scalable to heterogeneous devices as one dedicated model needs to be trained, transmitted, and stored for one specific hardware setting, incurring considerable costs in model training and maintenance. In this paper, we study a new vertical-layered representation of neural network weights for encapsulating all quantized models into a single one. With this representation, we can theoretically achieve any precision network for on-demand service while only needing to train and maintain one model. To this end, we propose a simple once quantization-aware training (QAT) scheme for obtaining high-performance vertical-layered models. Our design incorporates a cascade downsampling mechanism which allows us to obtain multiple quantized networks from one full precision source model by progressively mapping the higher precision weights to their adjacent lower precision counterparts. Then, with networks of different bit-widths from one source model, multi-objective optimization is employed to train the shared source model weights such that they can be updated simultaneously, considering the performance of all networks. By doing this, the shared weights will be optimized to balance the performance of different quantized models, thus making the weights transferable among different bit widths. Experiments show that the proposed vertical-layered representation and developed once QAT scheme are effective in embodying multiple quantized networks into a single one and allow one-time training, and it delivers comparable performance as that of quantized models tailored to any specific bit-width. Code will be available.

二进制神经网络（BNNS）对现实世界中嵌入式设备显示出巨大的希望。作为实现强大BNN的关键步骤之一，规模因子计算在减少其实价对应物的性能差距方面起着至关重要的作用。然而，现有的BNN忽略了实价重量和尺度因子的固有双线关系，从而导致训练过程不足引起的亚最佳模型。为了解决这个问题，提出了复发性双线性优化，以通过将固有的双线性变量关联到背面传播过程中，以改善BNNS（RBONN）的学习过程。我们的工作是从双线性角度优化BNN的首次尝试。具体而言，我们采用经常​​性优化和密度 - 列表来依次回溯稀疏的实价过滤器，该过滤器将经过充分的训练并基于可控的学习过程达到其性能限制。我们获得了强大的rbonn，在各种模型和数据集上的最先进的BNN上表现出令人印象深刻的性能。特别是，在对象检测的任务下，rbonn具有出色的概括性能。我们的代码在https://github.com/stevetsui/rbonn上进行开源。

为了以计算有效的方式部署深层模型，经常使用模型量化方法。此外，由于新的硬件支持混合的位算术操作，最近对混合精度量化（MPQ）的研究开始通过搜索网络中不同层和模块的优化位低宽，从而完全利用表示的能力。但是，先前的研究主要是在使用强化学习，神经体系结构搜索等的昂贵方案中搜索MPQ策略，或者简单地利用部分先验知识来进行位于刻度分配，这可能是有偏见和优势的。在这项工作中，我们提出了一种新颖的随机量化量化（SDQ）方法，该方法可以在更灵活，更全球优化的空间中自动学习MPQ策略，并具有更平滑的梯度近似。特别是，可区分的位宽参数（DBP）被用作相邻位意选择之间随机量化的概率因素。在获取最佳MPQ策略之后，我们将进一步训练网络使用熵感知的bin正则化和知识蒸馏。我们广泛评估了不同硬件（GPU和FPGA）和数据集的多个网络的方法。 SDQ的表现优于所有最先进的混合或单个精度量化，甚至比较低的位置量化，甚至比各种重新网络和Mobilenet家族的全精度对应物更好，这表明了我们方法的有效性和优势。

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。

Binary neural networks are the extreme case of network quantization, which has long been thought of as a potential edge machine learning solution. However, the significant accuracy gap to the full-precision counterparts restricts their creative potential for mobile applications. In this work, we revisit the potential of binary neural networks and focus on a compelling but unanswered problem: how can a binary neural network achieve the crucial accuracy level (e.g., 80%) on ILSVRC-2012 ImageNet? We achieve this goal by enhancing the optimization process from three complementary perspectives: (1) We design a novel binary architecture BNext based on a comprehensive study of binary architectures and their optimization process. (2) We propose a novel knowledge-distillation technique to alleviate the counter-intuitive overfitting problem observed when attempting to train extremely accurate binary models. (3) We analyze the data augmentation pipeline for binary networks and modernize it with up-to-date techniques from full-precision models. The evaluation results on ImageNet show that BNext, for the first time, pushes the binary model accuracy boundary to 80.57% and significantly outperforms all the existing binary networks. Code and trained models are available at: https://github.com/hpi-xnor/BNext.git.

Deploying convolutional neural networks (CNNs) on embedded devices is difficult due to the limited memory and computation resources. The redundancy in feature maps is an important characteristic of those successful CNNs, but has rarely been investigated in neural architecture design. This paper proposes a novel Ghost module to generate more feature maps from cheap operations. Based on a set of intrinsic feature maps, we apply a series of linear transformations with cheap cost to generate many ghost feature maps that could fully reveal information underlying intrinsic features. The proposed Ghost module can be taken as a plug-and-play component to upgrade existing convolutional neural networks. Ghost bottlenecks are designed to stack Ghost modules, and then the lightweight Ghost-Net can be easily established. Experiments conducted on benchmarks demonstrate that the proposed Ghost module is an impressive alternative of convolution layers in baseline models, and our GhostNet can achieve higher recognition performance (e.g. 75.7% top-1 accuracy) than MobileNetV3 with similar computational cost on the ImageNet ILSVRC-2012 classification dataset. Code is available at https: //github.com/huawei-noah/ghostnet.

深度神经网络（DNN）的记录断裂性能具有沉重的参数化，导致外部动态随机存取存储器（DRAM）进行存储。 DRAM访问的禁用能量使得在资源受限的设备上部署DNN是不普遍的，呼叫最小化重量和数据移动以提高能量效率。我们呈现SmartDeal（SD），算法框架，以进行更高成本的存储器存储/访问的较低成本计算，以便在推理和培训中积极提高存储和能量效率。 SD的核心是一种具有结构约束的新型重量分解，精心制作以释放硬件效率潜力。具体地，我们将每个重量张量分解为小基矩阵的乘积以及大的结构稀疏系数矩阵，其非零被量化为-2的功率。由此产生的稀疏和量化的DNN致力于为数据移动和重量存储而大大降低的能量，因为由于稀疏的比特 - 操作和成本良好的计算，恢复原始权重的最小开销。除了推理之外，我们采取了另一次飞跃来拥抱节能培训，引入创新技术，以解决培训时出现的独特障碍，同时保留SD结构。我们还设计专用硬件加速器，充分利用SD结构来提高实际能源效率和延迟。我们在不同的设置中对多个任务，模型和数据集进行实验。结果表明：1）应用于推理，SD可实现高达2.44倍的能效，通过实际硬件实现评估; 2）应用于培训，储存能量降低10.56倍，减少了10.56倍和4.48倍，与最先进的训练基线相比，可忽略的准确性损失。我们的源代码在线提供。

本文研究了重量和激活都将二进制神经网络（BNN）二进制为1位值，从而大大降低了记忆使用率和计算复杂性。由于现代深层神经网络具有复杂的设计，具有复杂的架构，其准确性，因此权重和激活分布的多样性非常高。因此，传统的符号函数不能很好地用于有效地在BNN中进行全精度值。为此，我们提出了一种称为Adabin的简单而有效的方法，可自适应获得最佳的二进制集$ \ {b_1，b_2 \} $（$ b_1，b_1，b_2 \ in \ mathbb {r} $）的重量和激活而不是固定集（即$ \ { - 1，+1 \} $）。通过这种方式，提出的方法可以更好地拟合不同的分布，并提高二进制特征的表示能力。实际上，我们使用中心位置和1位值的距离来定义新的二进制量化函数。对于权重，我们提出了一种均衡方法，将对称分布的对称中心与实价分布相对，并最大程度地减少它们的kullback-leibler差异。同时，我们引入了一种基于梯度的优化方法，以获取这两个激活参数，这些参数以端到端的方式共同训练。基准模型和数据集的实验结果表明，拟议的Adabin能够实现最新性能。例如，我们使用RESNET-18体系结构在Imagenet上获得66.4 \％TOP-1的精度，并使用SSD300获得了Pascal VOC的69.4映射。

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。

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。

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.

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。

二进制神经网络利用$标志$函数来二进制真实值，其非衍生属性不可避免地会在反向传播期间带来巨大的梯度错误。尽管已经提出了许多手工设计的软功能来近似梯度，但它们的机制尚不清楚，并且在二进制模型及其完整精确的对应物之间仍然存在巨大的性能差距。为了解决这个问题，我们建议将网络二进制作为二进制分类问题解决，并使用多层感知器（MLP）作为分类器。基于MLP的分类器理论上可以符合任何连续功能，并可以自适应地学习，以对网络进行二进制和反向流向梯度，而无需任何特定的软函数。通过这种观点，我们进一步证明，即使是简单的线性函数也可以胜过先前的复杂软函数。广泛的实验表明，所提出的方法在图像分类和人类姿势估计任务中产生令人惊讶的表现。具体而言，我们在ImageNet数据集上实现了Resnet-34的65.7％的TOP-1准确性，绝对提高了2.8％。在评估具有挑战性的Microsoft可可关键数据集时，提出的方法使二进制网络能够首次获得60.6的地图，并与一些完整的方法相当。