这项工作探讨了对神经网络的异质近似乘数配置的搜索，这些神经网络可产生高精度和低能消耗。我们讨论了添加到准确的神经网络计算中的加性高斯噪声的有效性，作为用于近似乘数行为模拟的替代模型。由加性高斯噪声模型跨越的解决方案空间的连续和微分特性被用作一种启发式，可生成有意义的层稳健性估计，而无需组合优化技术。取而代之的是，在网络训练期间，使用反向传播学习了注入精确计算的噪声量。提出了乘数误差的概率模型，以弥合域之间的间隙。该模型估计了近似乘数误差的标准偏差，将加性高斯噪声空间中的解决方案连接到实际硬件实例。我们的实验表明，对于CIFAR-10数据集上不同的重新网络变体，异质近似和神经网络再培训的组合将乘法的能量降低了70％至79％，而TOP-1精度损失却低于一个百分点。对于更复杂的小型成像网任务，我们的VGG16型号可降低能源消耗53％，前5个精度下降0.5个百分点。我们进一步证明，我们的误差模型可以在高精度的常用添加剂高斯噪声（AGN）模型的背景下预测近似乘数的参数。我们的软件实施可在https://github.com/etrommer/agn-approx下获得。

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.

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。

由于神经网络变得更加强大，因此在现实世界中部署它们的愿望是一个上升的愿望;然而，神经网络的功率和准确性主要是由于它们的深度和复杂性，使得它们难以部署，尤其是在资源受限的设备中。最近出现了神经网络量化，以满足这种需求通过降低网络的精度来降低神经网络的大小和复杂性。具有较小和更简单的网络，可以在目标硬件的约束中运行神经网络。本文调查了在过去十年中开发的许多神经网络量化技术。基于该调查和神经网络量化技术的比较，我们提出了该地区的未来研究方向。

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。

We introduce a method to train Quantized Neural Networks (QNNs) -neural networks with extremely low precision (e.g., 1-bit) weights and activations, at run-time. At traintime the quantized weights and activations are used for computing the parameter gradients. During the forward pass, QNNs drastically reduce memory size and accesses, and replace most arithmetic operations with bit-wise operations. As a result, power consumption is expected to be drastically reduced. We trained QNNs over the MNIST, CIFAR-10, SVHN and ImageNet datasets. The resulting QNNs achieve prediction accuracy comparable to their 32-bit counterparts. For example, our quantized version of AlexNet with 1-bit weights and 2-bit activations achieves 51% top-1 accuracy. Moreover, we quantize the parameter gradients to 6-bits as well which enables gradients computation using only bit-wise operation. Quantized recurrent neural networks were tested over the Penn Treebank dataset, and achieved comparable accuracy as their 32-bit counterparts using only 4-bits. Last but not least, we programmed a binary matrix multiplication GPU kernel with which it is possible to run our MNIST QNN 7 times faster than with an unoptimized GPU kernel, without suffering any loss in classification accuracy. The QNN code is available online.

基于惯性数据的人类活动识别（HAR）是从智能手机到超低功率传感器的嵌入式设备上越来越扩散的任务。由于深度学习模型的计算复杂性很高，因此大多数嵌入式HAR系统基于简单且不那么精确的经典机器学习算法。这项工作弥合了在设备上的HAR和深度学习之间的差距，提出了一组有效的一维卷积神经网络（CNN），可在通用微控制器（MCUS）上部署。我们的CNN获得了将超参数优化与子字节和混合精确量化的结合，以在分类结果和记忆职业之间找到良好的权衡。此外，我们还利用自适应推断作为正交优化，以根据处理后的输入来调整运行时的推理复杂性，从而产生更灵活的HAR系统。通过在四个数据集上进行实验，并针对超低功率RISC-V MCU，我们表明（i）我们能够为HAR获得一组丰富的帕累托（Pareto）最佳CNN，以范围超过1个数量级记忆，潜伏期和能耗； （ii）由于自适应推断，我们可以从单个CNN开始得出> 20个运行时操作模式，分类分数的不同程度高达10％，并且推理复杂性超过3倍，并且内存开销有限； （iii）在四个基准中的三个基准中，我们的表现都超过了所有以前的深度学习方法，将记忆占用率降低了100倍以上。获得更好性能（浅层和深度）的少数方法与MCU部署不兼容。 （iv）我们所有的CNN都与推理延迟<16ms的实时式evice Har兼容。他们的记忆职业在0.05-23.17 kb中有所不同，其能源消耗为0.005和61.59 UJ，可在较小的电池供应中进行多年的连续操作。

在本文中，提出了一种新的方法，该方法允许基于神经网络（NN）均衡器的低复杂性发展，以缓解高速相干光学传输系统中的损伤。在这项工作中，我们提供了已应用于馈电和经常性NN设计的各种深层模型压缩方法的全面描述和比较。此外，我们评估了这些策略对每个NN均衡器的性能的影响。考虑量化，重量聚类，修剪和其他用于模型压缩的尖端策略。在这项工作中，我们提出并评估贝叶斯优化辅助压缩，其中选择了压缩的超参数以同时降低复杂性并提高性能。总之，通过使用模拟和实验数据来评估每种压缩方法的复杂性及其性能之间的权衡，以完成分析。通过利用最佳压缩方法，我们表明可以设计基于NN的均衡器，该均衡器比传统的数字背部传播（DBP）均衡器具有更好的性能，并且只有一个步骤。这是通过减少使用加权聚类和修剪算法后在NN均衡器中使用的乘数数量来完成的。此外，我们证明了基于NN的均衡器也可以实现卓越的性能，同时仍然保持与完整的电子色色散补偿块相同的复杂性。我们通过强调开放问题和现有挑战以及未来的研究方向来结束分析。

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.

In this work we introduce a binarized deep neural network (BDNN) model. BDNNs are trained using a novel binarized back propagation algorithm (BBP), which uses binary weights and binary neurons during the forward and backward propagation, while retaining precision of the stored weights in which gradients are accumulated. At test phase, BDNNs are fully binarized and can be implemented in hardware with low circuit complexity. The proposed binarized networks can be implemented using binary convolutions and proxy matrix multiplications with only standard binary XNOR and population count (popcount) operations. BBP is expected to reduce energy consumption by at least two orders of magnitude when compared to the hardware implementation of existing training algorithms. We obtained near state-of-the-art results with BDNNs on the permutation-invariant MNIST, CIFAR-10 and SVHN datasets.

超参数优化构成了典型的现代机器学习工作流程的很大一部分。这是由于这样一个事实，即机器学习方法和相应的预处理步骤通常只有在正确调整超参数时就会产生最佳性能。但是在许多应用中，我们不仅有兴趣仅仅为了预测精度而优化ML管道；确定最佳配置时，必须考虑其他指标或约束，从而导致多目标优化问题。由于缺乏知识和用于多目标超参数优化的知识和容易获得的软件实现，因此通常在实践中被忽略。在这项工作中，我们向读者介绍了多个客观超参数优化的基础知识，并激励其在应用ML中的实用性。此外，我们从进化算法和贝叶斯优化的领域提供了现有优化策略的广泛调查。我们说明了MOO在几个特定ML应用中的实用性，考虑了诸如操作条件，预测时间，稀疏，公平，可解释性和鲁棒性之类的目标。

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。

Recently, automated co-design of machine learning (ML) models and accelerator architectures has attracted significant attention from both the industry and academia. However, most co-design frameworks either explore a limited search space or employ suboptimal exploration techniques for simultaneous design decision investigations of the ML model and the accelerator. Furthermore, training the ML model and simulating the accelerator performance is computationally expensive. To address these limitations, this work proposes a novel neural architecture and hardware accelerator co-design framework, called CODEBench. It is composed of two new benchmarking sub-frameworks, CNNBench and AccelBench, which explore expanded design spaces of convolutional neural networks (CNNs) and CNN accelerators. CNNBench leverages an advanced search technique, BOSHNAS, to efficiently train a neural heteroscedastic surrogate model to converge to an optimal CNN architecture by employing second-order gradients. AccelBench performs cycle-accurate simulations for a diverse set of accelerator architectures in a vast design space. With the proposed co-design method, called BOSHCODE, our best CNN-accelerator pair achieves 1.4% higher accuracy on the CIFAR-10 dataset compared to the state-of-the-art pair, while enabling 59.1% lower latency and 60.8% lower energy consumption. On the ImageNet dataset, it achieves 3.7% higher Top1 accuracy at 43.8% lower latency and 11.2% lower energy consumption. CODEBench outperforms the state-of-the-art framework, i.e., Auto-NBA, by achieving 1.5% higher accuracy and 34.7x higher throughput, while enabling 11.0x lower energy-delay product (EDP) and 4.0x lower chip area on CIFAR-10.

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.

深神经网络（DNN）的庞大计算和记忆成本通常排除了它们在资源约束设备中的使用。将参数和操作量化为较低的位精确，为神经网络推断提供了可观的记忆和能量节省，从而促进了在边缘计算平台上使用DNN。量化DNN的最新努力采用了一系列技术，包括渐进式量化，步进尺寸的适应性和梯度缩放。本文提出了一种针对边缘计算的混合精度卷积神经网络（CNN）的新量化方法。我们的方法在模型准确性和内存足迹上建立了一个新的Pareto前沿，展示了一系列量化模型，可提供低于4.3 MB的权重（WGTS。）和激活（ACTS。）。我们的主要贡献是：（i）用张量学的学习精度，（ii）WGTS的靶向梯度修饰，（i）硬件感知的异质可区分量化。和行为。为了减轻量化错误，以及（iii）多相学习时间表，以解决从更新到学习的量化器和模型参数引起的学习不稳定性。我们证明了我们的技术在Imagenet数据集上的有效性，包括高效网络lite0（例如，WGTS。的4.14MB和ACTS。以67.66％的精度）和MobilenEtV2（例如3.51MB WGTS。 ％ 准确性）。

大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置，必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置，可以采用各种自动超参数优化（HPO）方法，例如，基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后，本文审查了重要的HPO方法，如网格或随机搜索，进化算法，贝叶斯优化，超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议，包括HPO算法本身，性能评估，如何将HPO与ML管道，运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录，其中包含关于R和Python的特定软件包的信息，以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑，这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。

深入学习模型的压缩在将这些模型部署到边缘设备方面具有根本重要性。在压缩期间，在压缩期间结合硬件模型和应用限制可以最大限度地提高优势，但使其专为一种情况而设计。因此，压缩需要自动化。搜索最佳压缩方法参数被认为是一个优化问题。本文介绍了一种多目标硬件感知量化（MohaQ）方法，其将硬件效率和推理误差视为混合精度量化的目标。该方法通过依赖于两个步骤，在很大的搜索空间中评估候选解决方案。首先，应用训练后量化以进行快速解决方案评估。其次，我们提出了一个名为“基于信标的搜索”的搜索技术，仅在搜索空间中重新选出所选解决方案，并将其用作信标以了解刷新对其他解决方案的影响。为了评估优化潜力，我们使用Timit DataSet选择语音识别模型。该模型基于简单的复发单元（SRU），由于其相当大的加速在其他复发单元上。我们应用了我们在两个平台上运行的方法：SILAGO和BETFUSION。实验评估表明，SRU通过训练后量化可以压缩高达8倍，而误差的任何显着增加，误差只有1.5个百分点增加。在Silago上，唯一的搜索发现解决方案分别实现了最大可能加速和节能的80 \％和64 \％，错误的误差增加了0.5个百分点。在BETFUSION上，对于小SRAM尺寸的约束，基于信标的搜索将推断搜索的错误增益减少4个百分点，并且与BitFusion基线相比，可能的达到的加速度增加到47倍。

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。

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。

模型量化已成为加速深度学习推理的不可或缺的技术。虽然研究人员继续推动量化算法的前沿，但是现有量化工作通常是不可否认的和不可推销的。这是因为研究人员不选择一致的训练管道并忽略硬件部署的要求。在这项工作中，我们提出了模型量化基准（MQBench），首次尝试评估，分析和基准模型量化算法的再现性和部署性。我们为实际部署选择多个不同的平台，包括CPU，GPU，ASIC，DSP，并在统一培训管道下评估广泛的最新量化算法。 MQBENCK就像一个连接算法和硬件的桥梁。我们进行全面的分析，并找到相当大的直观或反向直观的见解。通过对齐训练设置，我们发现现有的算法在传统的学术轨道上具有大致相同的性能。虽然用于硬件可部署量化，但有一个巨大的精度差距，仍然不稳定。令人惊讶的是，没有现有的算法在MQBench中赢得每一项挑战，我们希望这项工作能够激发未来的研究方向。