With an ever-growing number of parameters defining increasingly complex networks, Deep Learning has led to several breakthroughs surpassing human performance. As a result, data movement for these millions of model parameters causes a growing imbalance known as the memory wall. Neuromorphic computing is an emerging paradigm that confronts this imbalance by performing computations directly in analog memories. On the software side, the sequential Backpropagation algorithm prevents efficient parallelization and thus fast convergence. A novel method, Direct Feedback Alignment, resolves inherent layer dependencies by directly passing the error from the output to each layer. At the intersection of hardware/software co-design, there is a demand for developing algorithms that are tolerable to hardware nonidealities. Therefore, this work explores the interrelationship of implementing bio-plausible learning in-situ on neuromorphic hardware, emphasizing energy, area, and latency constraints. Using the benchmarking framework DNN+NeuroSim, we investigate the impact of hardware nonidealities and quantization on algorithm performance, as well as how network topologies and algorithm-level design choices can scale latency, energy and area consumption of a chip. To the best of our knowledge, this work is the first to compare the impact of different learning algorithms on Compute-In-Memory-based hardware and vice versa. The best results achieved for accuracy remain Backpropagation-based, notably when facing hardware imperfections. Direct Feedback Alignment, on the other hand, allows for significant speedup due to parallelization, reducing training time by a factor approaching N for N-layered networks.

基于von-neumann架构的传统计算系统，数据密集型工作负载和应用程序（如机器学习）和应用程序都是基本上限制的。随着数据移动操作和能量消耗成为计算系统设计中的关键瓶颈，对近数据处理（NDP），机器学习和特别是神经网络（NN）的加速器等非传统方法的兴趣显着增加。诸如Reram和3D堆叠的新兴内存技术，这是有效地架构基于NN的基于NN的加速器，因为它们的工作能力是：高密度/低能量存储和近记忆计算/搜索引擎。在本文中，我们提出了一种为NN设计NDP架构的技术调查。通过基于所采用的内存技术对技术进行分类，我们强调了它们的相似之处和差异。最后，我们讨论了需要探索的开放挑战和未来的观点，以便改进和扩展未来计算平台的NDP架构。本文对计算机学习领域的计算机架构师，芯片设计师和研究人员来说是有价值的。

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.

近年来，人工智能（AI）的领域已经见证了巨大的增长，然而，持续发展的一些最紧迫的挑战是电子计算机架构所面临的基本带宽，能效和速度限制。利用用于执行神经网络推理操作的光子处理器越来越感兴趣，但是这些网络目前使用标准数字电子培训。这里，我们提出了由CMOS兼容的硅光子架构实现的神经网络的片上训练，以利用大规模平行，高效和快速数据操作的电位。我们的方案采用直接反馈对准训练算法，它使用错误反馈而不是错误反向化而培训神经网络，并且可以在每秒乘以数万亿乘以量的速度运行，同时每次MAC操作消耗小于一个微微约会。光子架构利用并行化矩阵 - 向量乘法利用微址谐振器阵列，用于沿着单个波导总线处理多通道模拟信号，以便原位计算每个神经网络层的梯度向量，这是在后向通过期间执行的最昂贵的操作。 。我们还通过片上MAC操作结果实验地示意使用MNIST数据集进行培训深度神经网络。我们的高效，超快速神经网络训练的新方法展示了光子学作为执行AI应用的有希望的平台。

在小型电池约束的物流设备上部署现代TinyML任务需要高计算能效。使用非易失性存储器（NVM）的模拟内存计算（IMC）承诺在深神经网络（DNN）推理中的主要效率提高，并用作DNN权重的片上存储器存储器。然而，在系统级别尚未完全理解IMC的功能灵活性限制及其对性能，能量和面积效率的影响。为了目标实际的端到端的IOT应用程序，IMC阵列必须括在异构可编程系统中，引入我们旨在解决这项工作的新系统级挑战。我们介绍了一个非均相紧密的聚类架构，整合了8个RISC-V核心，内存计算加速器（IMA）和数字加速器。我们在高度异构的工作负载上基准测试，例如来自MobileNetv2的瓶颈层，显示出11.5倍的性能和9.5倍的能效改进，而在核心上高度优化并行执行相比。此外，我们通过将我们的异构架构缩放到多阵列加速器，探讨了在IMC阵列资源方面对全移动级DNN（MobileNetv2）的端到端推断的要求。我们的结果表明，我们的解决方案在MobileNetv2的端到端推断上，在执行延迟方面比现有的可编程架构更好，比最先进的异构解决方案更好的数量级集成内存计算模拟核心。

编译器框架对于广泛使用基于FPGA的深度学习加速器来说是至关重要的。它们允许研究人员和开发人员不熟悉硬件工程，以利用域特定逻辑所获得的性能。存在传统人工神经网络的各种框架。然而，没有多大的研究努力已经进入创建针对尖刺神经网络（SNNS）进行优化的框架。这种新一代的神经网络对于在边缘设备上部署AI的越来越有趣，其具有紧密的功率和资源约束。我们的端到端框架E3NE为FPGA自动生成高效的SNN推理逻辑。基于Pytorch模型和用户参数，它应用各种优化，并评估基于峰值的加速器固有的权衡。多个水平的并行性和新出现的神经编码方案的使用导致优于先前的SNN硬件实现的效率。对于类似的型号，E3NE使用的硬件资源的少于50％，功率较低20％，同时通过幅度降低延迟。此外，可扩展性和通用性允许部署大规模的SNN模型AlexNet和VGG。

尖峰神经网络（SNN）提供了一个新的计算范式，能够高度平行，实时处理。光子设备是设计与SNN计算范式相匹配的高带宽，平行体系结构的理想选择。 CMO和光子元件的协整允许将低损耗的光子设备与模拟电子设备结合使用，以更大的非线性计算元件的灵活性。因此，我们在整体硅光子学（SIPH）过程上设计和模拟了光电尖峰神经元电路，该过程复制了超出泄漏的集成和火（LIF）之外有用的尖峰行为。此外，我们探索了两种学习算法，具有使用Mach-Zehnder干涉法（MZI）网格作为突触互连的片上学习的潜力。实验证明了随机反向传播（RPB）的变体，并在简单分类任务上与标准线性回归的性能相匹配。同时，将对比性HEBBIAN学习（CHL）规则应用于由MZI网格组成的模拟神经网络，以进行随机输入输出映射任务。受CHL训练的MZI网络的性能比随机猜测更好，但不符合理想神经网络的性能（没有MZI网格施加的约束）。通过这些努力，我们证明了协调的CMO和SIPH技术非常适合可扩展的SNN计算体系结构的设计。

原则上，稀疏的神经网络应该比传统的密集网络更有效。大脑中的神经元表现出两种类型的稀疏性;它们稀疏地相互连接和稀疏活跃。当组合时，这两种类型的稀疏性，称为重量稀疏性和激活稀疏性，提出了通过两个数量级来降低神经网络的计算成本。尽管存在这种潜力，但今天的神经网络只使用重量稀疏提供适度的性能益处，因为传统的计算硬件无法有效地处理稀疏网络。在本文中，我们引入了互补稀疏性，这是一种显着提高现有硬件对双稀疏网络性能的新技术。我们证明我们可以实现高性能运行的重量稀疏网络，我们可以通过结合激活稀疏性来乘以这些加速。采用互补稀疏性，我们显示出对FPGA的推断的吞吐量和能效提高了100倍。我们分析了典型的商业卷积网络等各种内核的可扩展性和资源权衡，例如Resnet-50和MobileNetv2。我们的互补稀疏性的结果表明，重量加激活稀疏性可以是有效的缩放未来AI模型的有效组合。

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。

The error Backpropagation algorithm (BP) is a key method for training deep neural networks. While performant, it is also resource-demanding in terms of computation, memory usage and energy. This makes it unsuitable for online learning on edge devices that require a high processing rate and low energy consumption. More importantly, BP does not take advantage of the parallelism and local characteristics offered by dedicated neural processors. There is therefore a demand for alternative algorithms to BP that could improve the latency, memory requirements, and energy footprint of neural networks on hardware. In this work, we propose a novel method based on Direct Feedback Alignment (DFA) which uses Forward-Mode Automatic Differentiation to estimate backpropagation paths and learn feedback connections in an online manner. We experimentally show that Directional DFA achieves performances that are closer to BP than other feedback methods on several benchmark datasets and architectures while benefiting from the locality and parallelization characteristics of DFA. Moreover, we show that, unlike other feedback learning algorithms, our method provides stable learning for convolution layers.

IOT应用中的总是关于Tinyml的感知任务需要非常高的能量效率。模拟计算内存（CIM）使用非易失性存储器（NVM）承诺高效率，并提供自包含的片上模型存储。然而，模拟CIM推出了新的实际考虑因素，包括电导漂移，读/写噪声，固定的模数转换器增益等。必须解决这些附加约束，以实现可以通过可接受的模拟CIM部署的模型精度损失。这项工作描述了$ \ textit {analognets} $：tinyml模型用于关键字点（kws）和视觉唤醒词（VWW）的流行始终是on。模型架构专门为模拟CIM设计，我们详细介绍了一种全面的培训方法，以在推理时间内保持面对模拟非理想的精度和低精度数据转换器。我们还描述了AON-CIM，可编程，最小面积的相变存储器（PCM）模拟CIM加速器，具有新颖的层串行方法，以消除与完全流水线设计相关的复杂互连的成本。我们在校准的模拟器以及真正的硬件中评估了对校准模拟器的矛盾，并发现精度下降限制为KWS / VWW的PCM漂移（8位）24小时后的0.8 $ \％$ / 1.2 $ \％$。在14nm AON-CIM加速器上运行的analognets使用8位激活，分别使用8位激活，并增加到57.39 / 25.69个顶部/ w，以4美元$ 4 $ 57.39 / 25.69。

Spiking Neural Networks (SNNs) have gained huge attention as a potential energy-efficient alternative to conventional Artificial Neural Networks (ANNs) due to their inherent high-sparsity activation. Recently, SNNs with backpropagation through time (BPTT) have achieved a higher accuracy result on image recognition tasks than other SNN training algorithms. Despite the success from the algorithm perspective, prior works neglect the evaluation of the hardware energy overheads of BPTT due to the lack of a hardware evaluation platform for this SNN training algorithm. Moreover, although SNNs have long been seen as an energy-efficient counterpart of ANNs, a quantitative comparison between the training cost of SNNs and ANNs is missing. To address the aforementioned issues, in this work, we introduce SATA (Sparsity-Aware Training Accelerator), a BPTT-based training accelerator for SNNs. The proposed SATA provides a simple and re-configurable systolic-based accelerator architecture, which makes it easy to analyze the training energy for BPTT-based SNN training algorithms. By utilizing the sparsity, SATA increases its computation energy efficiency by $5.58 \times$ compared to the one without using sparsity. Based on SATA, we show quantitative analyses of the energy efficiency of SNN training and compare the training cost of SNNs and ANNs. The results show that, on Eyeriss-like systolic-based architecture, SNNs consume $1.27\times$ more total energy with sparsities when compared to ANNs. We find that such high training energy cost is from time-repetitive convolution operations and data movements during backpropagation. Moreover, to propel the future SNN training algorithm design, we provide several observations on energy efficiency for different SNN-specific training parameters and propose an energy estimation framework for SNN training. Code for our framework is made publicly available.

深度神经网络（DNN）在各个领域的有效性（例如分类问题，图像处理，视频细分和语音识别）已被证明。加速器内存（AIM）架构是有效加速DNN的有前途解决方案，因为它们可以避免传统的von Neumann架构的内存瓶颈。由于主要内存通常在许多系统中是DRAM，因此在DRAM中高度平行的多重含用（MAC）阵列可以通过减少处理器和主内存之间的数据运动的距离和数量来最大化目标的好处。本文介绍了一个名为MAC-DO的基于模拟MAC阵列的AIM架构。与以前的IN-DRAM加速器相反，MAC-DO使整个DRAM阵列同时参与MAC计算，而无需闲置细胞，从而导致更高的吞吐量和能量效率。通过利用基于电荷转向的新的模拟计算方法来实现这种改进。此外，Mac-Do天生支持具有良好线性的多位Mac。 MAC-DO仍然与当前的1T1C DRAM技术兼容，而没有任何DRAM单元格和数组的修改。 MAC-DO数组可以基于输出固定映射加速矩阵乘法，因此支持DNN中执行的大多数计算。我们使用晶体管级仿真的评估表明，具有16 x 16 Mac-Do细胞的测试MAC-DO阵列可达到188.7 TOPS/W，并显示了MNIST数据集的97.07％TOP-1准确性，而无需重新培训。

近年来，尖峰神经网络（SNN）由于其丰富的时空动力学，各种编码方法和事件驱动的特征而自然拟合神经形态硬件，因此在脑启发的智能上受到了广泛的关注。随着SNN的发展，受到脑科学成就启发和针对人工通用智能的新兴研究领域的脑力智能变得越来越热。本文回顾了最新进展，并讨论了来自五个主要研究主题的SNN的新领域，包括基本要素（即尖峰神经元模型，编码方法和拓扑结构），神经形态数据集，优化算法，软件，软件和硬件框架。我们希望我们的调查能够帮助研究人员更好地了解SNN，并激发新作品以推进这一领域。

代表低精度的深度神经网络（DNN）是一种有希望的方法来实现有效的加速和记忆力。以前的方法在低精度中培训DNN的方法通常在重量更新期间在高精度中保持重量的重量副本。由于低精度数字系统与学习算法之间的复杂相互作用，直接具有低精度重量的培训导致精度下降。为了解决这个问题，我们开发了一个共同设计的低精度训练框架，被称为LNS-MADAM，我们共同设计了对数号系统（LNS）和乘法权重算法（MADAM）。我们证明了LNS-MADAM在重量更新期间导致低量化误差，即使精度有限，也导致稳定的收敛。我们进一步提出了LNS-MADAM的硬件设计，可以解决实现LNS计算的有效数据路径的实际挑战。我们的实现有效地降低了LNS - 整数转换和部分总和累积所产生的能量开销。实验结果表明，LNS-MADAM为全精密对应物达到了可比的准确性，只有8位对流行的计算机视觉和自然语言任务。与全精密浮点实施相比，LNS-MADAM将能耗降低超过90。

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。

人工神经网络中的监督学习通常依赖于反向传播，其中权重根据误差函数梯度进行更新，并从输出层到输入层依次传播。尽管这种方法已被证明在广泛的应用领域有效，但在许多方面缺乏生物学上的合理性，包括重量对称问题，学习对非本地信号的依赖性，错误传播期间的神经活动的冻结以及更新锁定的冻结问题。已经引入了替代培训计划，包括标志对称性，反馈对准和直接反馈对准，但它们总是依靠向后传球，这阻碍了同时解决所有问题的可能性。在这里，我们建议用第二个正向通行证替换向后通行证，其中根据网络的误差调制输入信号。我们表明，这项新颖的学习规则全面解决了上述所有问题，并且可以应用于完全连接和卷积模型。我们测试了有关MNIST，CIFAR-10和CIFAR-100的学习规则。这些结果有助于将生物学原理纳入机器学习。

内存处理（PIM）是一种越来越多地研究的神经形态硬件，承诺能量和吞吐量改进以进行深度学习推断。 PIM利用大量平行，有效的模拟计算在内存内部，绕过传统数字硬件中数据移动的瓶颈。但是，需要额外的量化步骤（即PIM量化），通常由于硬件约束而导致的分辨率有限，才能将模拟计算结果转换为数字域。同时，由于不完善的类似物到数字界面，PIM量化中的非理想效应广泛存在，这进一步损害了推理的准确性。在本文中，我们提出了一种培训量化网络的方法，以合并PIM量化，这对所有PIM系统无处不在。具体而言，我们提出了PIM量化意识培训（PIM-QAT）算法，并通过分析训练动力学以促进训练收敛，从而在向后传播期间引入重新传播技术。我们还提出了两种技术，即批处理归一化（BN）校准和调整精度训练，以抑制实际PIM芯片中涉及的非理想线性和随机热噪声的不利影响。我们的方法在三个主流PIM分解方案上进行了验证，并在原型芯片上进行了物理上的验证。与直接在PIM系统上部署常规训练的量化模型相比，该模型没有考虑到此额外的量化步骤并因此失败，我们的方法提供了重大改进。它还可以在CIFAR10和CIFAR100数据集上使用各种网络深度来获得最受欢迎的网络拓扑结构，在CIFAR10和CIFAR100数据集上，在PIM系统上达到了可比的推理精度。

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。