深度神经网络（DNN）已显示在许多现实生活中提供极好的性能，但它们的大量计算成本和存储要求已阻止它们部署到许多边缘和内部内容（IOT）设备。稀疏的深神经网络，其大多数重量参数是零，可以大大降低模型的计算复杂性和存储器消耗。在实际使用场景中，设备可能遭受不同环境下的可用计算和存储器资源的大波动，并且由于具有大延迟的长尾延长而难以维持服务质量（QoS）。面对现实生活挑战，我们建议培训支持多个稀疏水平的稀疏模型。也就是说，满足权重的分层结构，使得较少稀疏子模型的较少稀疏子模型区域子集的位置和非零参数的位置。以这种方式，可以在推理期间动态地选择适当的稀疏度水平，而存储成本被最小稀疏子模型覆盖。我们已经在各种DNN模型和任务中验证了我们的方法，包括Reset-50，PointNet ++，GNMT和图表注意网络。我们获得稀疏的子模型，平均重量为13.38％，拖鞋14.97％，而准确性也与他们的密集对应物一样好。具有5.38％权重和4.47％的更稀疏的子模型，跨越少量稀疏的跨，只能获得3.25％的相对精度损耗。

已经证明，深度神经网络（DNN）在解决许多现实问题方面是有效的，但其高计算成本禁止将这些模型部署到边缘设备。修剪，作为将零的方法引入模型重量的方法，已显示是在模型精度和计算效率之间提供良好权衡的有效方法，并且是一种生成压缩模型的广泛使用的方法。然而，修剪的粒度使得重要的权衡。在相同的稀疏性水平上，粗粒结构的稀疏图案在传统硬件上更有效，但导致更差的精度，而细粒度的非结构化稀疏模式可以实现更好的精度，但在现有硬件上效率低下。另一方面，一些现代处理器配备了快速的片上刻痕存储器和聚集/散射引擎，用于在这种存储器上执行间接负载和存储操作。在这项工作中，我们提出了一系列新颖的稀疏模式，命名为聚光散射（GS）模式，以利用Scratchpad存储器和收集/散射引擎来加速神经网络推论。相应地，我们呈现了一种紧凑的稀疏格式。提出的稀疏模式，以及一种新颖的修剪方法，解决了负载不平衡问题，并导致质量接近非结构化稀疏模型的型号，以及靠近结构化稀疏型号的计算效率。我们的实验表明，与传统结构稀疏模式相比，GS模式在精度和计算效率之间始终如一地进行折衷。 GS模式可以以相同的精度级别将DNN组件的运行时间减少两到三次。这是在三个不同的深度学习任务和流行模型中确认，即机器翻译的GNMT，用于图像识别的Reset50，以及用于声学语音识别的Japser。

物联网设备越来越多地通过神经网络模型实施，以启用智能应用程序。从环境环境中收集能源的能源收集（EH）技术是电池可为这些设备供电的有前途的替代方法，因为维护成本较低和能源的广泛可用性。但是，能量收割机提供的功率很低，并且具有不稳定性的固有缺点，因为它随环境环境而变化。本文提出了EVE，EVE是一种自动化机器学习（AUTOML）共同探索框架，以搜索具有共享权重的所需的多模型，以进行能源收集的物联网设备。这些共享模型显着降低了记忆足迹，具有不同级别的模型稀疏性，延迟和准确性，以适应环境变化。进一步开发了有效的实施实施体系结构，以有效地执行设备上的每个模型。提出了一种运行时模型提取算法，该算法在触发特定模型模式时以可忽略的开销检索单个模型。实验结果表明，EVE生成的神经网络模型平均比没有修剪和共享的基线模型快2.5倍倍权重。

重量修剪是一种有效的模型压缩技术，可以解决在移动设备上实现实时深神经网络（DNN）推断的挑战。然而，由于精度劣化，难以利用硬件加速度，以及某些类型的DNN层的限制，难以降低的应用方案具有有限的应用方案。在本文中，我们提出了一般的细粒度的结构化修剪方案和相应的编译器优化，适用于任何类型的DNN层，同时实现高精度和硬件推理性能。随着使用我们的编译器优化所支持的不同层的灵活性，我们进一步探讨了确定最佳修剪方案的新问题，了解各种修剪方案的不同加速度和精度性能。两个修剪方案映射方法，一个是基于搜索，另一个是基于规则的，建议自动推导出任何给定DNN的每层的最佳修剪规则和块大小。实验结果表明，我们的修剪方案映射方法，以及一般细粒化结构修剪方案，优于最先进的DNN优化框架，最高可达2.48 $ \ times $和1.73 $ \ times $ DNN推理加速在CiFar-10和Imagenet DataSet上没有准确性损失。

During the deployment of deep neural networks (DNNs) on edge devices, many research efforts are devoted to the limited hardware resource. However, little attention is paid to the influence of dynamic power management. As edge devices typically only have a budget of energy with batteries (rather than almost unlimited energy support on servers or workstations), their dynamic power management often changes the execution frequency as in the widely-used dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technique. This leads to highly unstable inference speed performance, especially for computation-intensive DNN models, which can harm user experience and waste hardware resources. We firstly identify this problem and then propose All-in-One, a highly representative pruning framework to work with dynamic power management using DVFS. The framework can use only one set of model weights and soft masks (together with other auxiliary parameters of negligible storage) to represent multiple models of various pruning ratios. By re-configuring the model to the corresponding pruning ratio for a specific execution frequency (and voltage), we are able to achieve stable inference speed, i.e., keeping the difference in speed performance under various execution frequencies as small as possible. Our experiments demonstrate that our method not only achieves high accuracy for multiple models of different pruning ratios, but also reduces their variance of inference latency for various frequencies, with minimal memory consumption of only one model and one soft mask.

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.

深度神经网络（DNN）在解决许多真实问题方面都有效。较大的DNN模型通常表现出更好的质量（例如，精度，精度），但它们的过度计算会导致长期推理时间。模型稀疏可以降低计算和内存成本，同时保持模型质量。大多数现有的稀疏算法是单向移除的重量，而其他人则随机或贪婪地探索每层进行修剪的小权重子集。这些算法的局限性降低了可实现的稀疏性水平。此外，许多算法仍然需要预先训练的密集模型，因此遭受大的内存占地面积。在本文中，我们提出了一种新颖的预定生长和修剪（间隙）方法，而无需预先培训密集模型。它通过反复生长一个层次的层来解决以前的作品的缺点，然后在一些训练后修剪回到稀疏。实验表明，使用所提出的方法修剪模型匹配或击败高度优化的密集模型的质量，在各种任务中以80％的稀疏度，例如图像分类，客观检测，3D对象分段和翻译。它们还优于模型稀疏的其他最先进的（SOTA）方法。作为一个例子，通过间隙获得的90％不均匀的稀疏resnet-50模型在想象中实现了77.9％的前1个精度，提高了先前的SOTA结果1.5％。所有代码将公开发布。

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。

对将AI功能从云上的数据中心转移到边缘或最终设备的需求越来越大，这是由在智能手机，AR/VR设备，自动驾驶汽车和各种汽车上运行的快速实时AI的应用程序举例说明的。物联网设备。然而，由于DNN计算需求与边缘或最终设备上的计算能力之间的较大增长差距，这种转变受到了严重的阻碍。本文介绍了XGEN的设计，这是DNN的优化框架，旨在弥合差距。 XGEN将横切共同设计作为其一阶考虑。它的全栈AI面向AI的优化包括在DNN软件堆栈的各个层的许多创新优化，所有这些优化都以合作的方式设计。独特的技术使XGEN能够优化各种DNN，包括具有极高深度的DNN（例如Bert，GPT，其他变形金刚），并生成代码比现有DNN框架中的代码快几倍，同时提供相同的准确性水平。

边缘设备上有限且动态的资源激励我们部署优化的深神经网络，该网络可以调整其子网络以适应不同的资源约束。但是，现有作品通常通过在手工制作的采样空间中搜索不同的网络体系结构来构建子网络，这不仅可以导致低标准的性能，而且可能导致设备上的重新配置开销。在本文中，我们提出了一种新颖的培训算法，动态的实时稀疏子网（着装）。着装通过基于行的非结构化稀疏度从相同的骨干网络采样多个子网络，并与加权损失并联训练这些子网络。着装还利用包括参数重复使用和基于行的细粒抽样在内的策略，以进行有效的存储消耗和有效的机上适应。公共视觉数据集的广泛实验表明，与最先进的子网络相比，着装的准确性明显更高。

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。

The deployment of deep convolutional neural networks (CNNs) in many real world applications is largely hindered by their high computational cost. In this paper, we propose a novel learning scheme for CNNs to simultaneously 1) reduce the model size; 2) decrease the run-time memory footprint; and 3) lower the number of computing operations, without compromising accuracy. This is achieved by enforcing channel-level sparsity in the network in a simple but effective way. Different from many existing approaches, the proposed method directly applies to modern CNN architectures, introduces minimum overhead to the training process, and requires no special software/hardware accelerators for the resulting models. We call our approach network slimming, which takes wide and large networks as input models, but during training insignificant channels are automatically identified and pruned afterwards, yielding thin and compact models with comparable accuracy. We empirically demonstrate the effectiveness of our approach with several state-of-the-art CNN models, including VGGNet, ResNet and DenseNet, on various image classification datasets. For VGGNet, a multi-pass version of network slimming gives a 20× reduction in model size and a 5× reduction in computing operations.

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。

稀疏性已成为压缩和加速深度神经网络（DNN）的有前途方法之一。在不同类别的稀疏性中，由于其对现代加速器的有效执行，结构化的稀疏性引起了人们的关注。特别是，n：m稀疏性很有吸引力，因为已经有一些硬件加速器架构可以利用某些形式的n：m结构化稀疏性来产生更高的计算效率。在这项工作中，我们专注于N：M的稀疏性，并广泛研究和评估N：M稀疏性的各种培训食谱，以模型准确性和计算成本（FLOPS）之间的权衡（FLOPS）。在这项研究的基础上，我们提出了两种新的基于衰减的修剪方法，即“修剪面膜衰减”和“稀疏结构衰减”。我们的评估表明，这些提出的方法始终提供最新的（SOTA）模型精度，可与非结构化的稀疏性相当，在基于变压器的模型上用于翻译任务。使用新培训配方的稀疏模型准确性的提高是以总训练计算（FLOP）边际增加的成本。

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.

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。

随着实际图表的扩大，将部署具有数十亿个参数的较大GNN模型。此类模型中的高参数计数使图表的训练和推断昂贵且具有挑战性。为了降低GNN的计算和记忆成本，通常采用了输入图中的冗余节点和边缘等优化方法。但是，直接针对模型层稀疏的模型压缩，主要限于用于图像分类和对象检测等任务的传统深神网络（DNN）。在本文中，我们利用两种最先进的模型压缩方法（1）训练和修剪以及（2）稀疏训练GNN中的重量层。我们评估并比较了两种方法的效率，从精确性，训练稀疏性和现实世界图上的训练拖失lop方面。我们的实验结果表明，在IA-Email，Wiki-Talk和Stackoverflow数据集上，用于链接预测，稀疏训练和较低的训练拖失板可以使用火车和修剪方法达到可比的精度。在用于节点分类的大脑数据集上，稀疏训练使用较低的数字插槽（小于1/7的火车和修剪方法），并在极端模型的稀疏性下保留了更好的精度性能。

在设备训练中，该模型可以通过微调预训练的模型来适应从传感器中收集的新数据。但是，对于具有少量内存资源的物联网设备，训练记忆消耗是过敏的。我们提出了一个算法 - 系统共同设计框架，以便仅使用256KB的内存使设备训练成为可能。在设备训练面临两个独特的挑战：（1）由于比特精确的混合和缺乏归一化而难以优化神经网络的量化图； （2）有限的硬件资源（内存和计算）不允许完整的向后计算。为了应对优化难度，我们提出了量化缩放量表来校准梯度尺度并稳定量化训练。为了减少内存足迹，我们提出稀疏更新，以跳过不太重要的层和子张量的梯度计算。该算法创新是由轻量级训练系统（小型训练引擎）实现的，该系统可修剪向后的计算图，以支持稀疏更新并卸载运行时自动分化以编译时间。我们的框架是第一个实用解决方案，用于在微型IoT设备上进行视觉识别的设备转移学习（例如，仅具有256KB SRAM的微控制器），使用少于1/100的现有框架的存储器，同时匹配云训练的准确性+Tinyml应用程序VWW的边缘部署。我们的研究使IoT设备不仅可以执行推理，还可以不断适应新的数据，以实现终身学习。

虽然网络稀疏作为克服神经网络大小的有希望的方向，但它仍然是保持模型准确性的开放问题，并在一般CPU上实现了显着的加速。在本文中，我们提出了一篇新颖的1美元\ Times N $块稀疏模式（块修剪）的概念来打破这种限制。特别是，具有相同输入通道索引的连续$ N $输出内核被分组为一个块，该块用作我们修剪模式的基本修剪粒度。我们的$ 1 \ times n $ sparsity模式prunes这些块被认为不重要。我们还提供过滤器重新排列的工作流程，首先重新排列输出通道尺寸中的权重矩阵，以获得更具影响力的块，以便精度改进，然后将类似的重新排列到输入通道维度中的下一层权重，以确保正确的卷积操作。此外，可以通过并行化块 - 方向的矢量化操作实现在我们的$ 1 \ Times N $块稀疏之后的输出计算，从而导致总基于CPU的平台上的显着加速。通过对ILSVRC-2012的实验证明了我们修剪模式的功效。例如，在50％的稀疏性和$ n = 4 $的情况下，我们的模式在MobileNet-V2的前1个精度的过滤器修剪中获得了大约3.0％的改进。同时，它在Cortex-A7 CPU上获得56.04ms推断，超过体重修剪。代码可在https://github.com/lmbxmu/1xn处获得。

在深度学习中，变压器一直是必不可少的主食。但是，对于现实生活中的应用程序，由于模型的巨大参数和操作，部署有效的变压器非常具有挑战性。为了减轻这种负担，利用稀疏是加速变压器的有效方法。新出现的Ampere GPU利用2：4的稀疏模式来实现模型加速度，而在部署模型时，它几乎无法满足各种算法和硬件约束。相比之下，我们提出了一个算法 - 铁软件合作的框架，以灵活有效地加速变压器，通过使用一般的N：M稀疏模式。 （1）从算法的角度来看，我们提出了一种稀疏性遗传机制以及一种遗传的动态修剪（IDP）方法，以迅速获得一系列N：M稀疏候选变压器。进一步提出了模型压缩方案，以显着减少部署的存储需求。 （2）从硬件的角度来看，我们提出了一种灵活，有效的硬件体系结构，即STA，以在部署N：M稀疏变压器时达到显着加速。 STA不仅具有具有较高计算效率的稀疏密度和致密矩阵乘法的计算引擎，而且还具有可扩展的软模块，从而消除了中级外芯片外数据通信的延迟。实验结果表明，与其他使用IDP生成的其他方法相比，n：m稀疏变压器的准确性平均提高了6.7％。此外，与Intel I9-9900X和NVIDIA RTX 2080 TI相比，STA可以达到14.47倍和11.33倍的速度，并且比最先进的基于FPGA的加速器对变形金刚的最先进的推断速度可以快2.00-19.47倍。