The last decade has witnessed the breakthrough of deep neural networks (DNNs) in many fields. With the increasing depth of DNNs, hundreds of millions of multiply-and-accumulate (MAC) operations need to be executed. To accelerate such operations efficiently, analog in-memory computing platforms based on emerging devices, e.g., resistive RAM (RRAM), have been introduced. These acceleration platforms rely on analog properties of the devices and thus suffer from process variations and noise. Consequently, weights in neural networks configured into these platforms can deviate from the expected values, which may lead to feature errors and a significant degradation of inference accuracy. To address this issue, in this paper, we propose a framework to enhance the robustness of neural networks under variations and noise. First, a modified Lipschitz constant regularization is proposed during neural network training to suppress the amplification of errors propagated through network layers. Afterwards, error compensation is introduced at necessary locations determined by reinforcement learning to rescue the feature maps with remaining errors. Experimental results demonstrate that inference accuracy of neural networks can be recovered from as low as 1.69% under variations and noise back to more than 95% of their original accuracy, while the training and hardware cost are negligible.

Deep neural networks (DNNs) have successfully been applied in many fields in the past decades. However, the increasing number of multiply-and-accumulate (MAC) operations in DNNs prevents their application in resource-constrained and resource-varying platforms, e.g., mobile phones and autonomous vehicles. In such platforms, neural networks need to provide acceptable results quickly and the accuracy of the results should be able to be enhanced dynamically according to the computational resources available in the computing system. To address these challenges, we propose a design framework called SteppingNet. SteppingNet constructs a series of subnets whose accuracy is incrementally enhanced as more MAC operations become available. Therefore, this design allows a trade-off between accuracy and latency. In addition, the larger subnets in SteppingNet are built upon smaller subnets, so that the results of the latter can directly be reused in the former without recomputation. This property allows SteppingNet to decide on-the-fly whether to enhance the inference accuracy by executing further MAC operations. Experimental results demonstrate that SteppingNet provides an effective incremental accuracy improvement and its inference accuracy consistently outperforms the state-of-the-art work under the same limit of computational resources.

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。

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。

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。

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.

The success of CNNs in various applications is accompanied by a significant increase in the computation and parameter storage costs. Recent efforts toward reducing these overheads involve pruning and compressing the weights of various layers without hurting original accuracy. However, magnitude-based pruning of weights reduces a significant number of parameters from the fully connected layers and may not adequately reduce the computation costs in the convolutional layers due to irregular sparsity in the pruned networks. We present an acceleration method for CNNs, where we prune filters from CNNs that are identified as having a small effect on the output accuracy. By removing whole filters in the network together with their connecting feature maps, the computation costs are reduced significantly. In contrast to pruning weights, this approach does not result in sparse connectivity patterns. Hence, it does not need the support of sparse convolution libraries and can work with existing efficient BLAS libraries for dense matrix multiplications. We show that even simple filter pruning techniques can reduce inference costs for VGG-16 by up to 34% and ResNet-110 by up to 38% on CIFAR10 while regaining close to the original accuracy by retraining the networks.

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。

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。

In deep neural networks (DNNs), there are a huge number of weights and multiply-and-accumulate (MAC) operations. Accordingly, it is challenging to apply DNNs on resource-constrained platforms, e.g., mobile phones. Quantization is a method to reduce the size and the computational complexity of DNNs. Existing quantization methods either require hardware overhead to achieve a non-uniform quantization or focus on model-wise and layer-wise uniform quantization, which are not as fine-grained as filter-wise quantization. In this paper, we propose a class-based quantization method to determine the minimum number of quantization bits for each filter or neuron in DNNs individually. In the proposed method, the importance score of each filter or neuron with respect to the number of classes in the dataset is first evaluated. The larger the score is, the more important the filter or neuron is and thus the larger the number of quantization bits should be. Afterwards, a search algorithm is adopted to exploit the different importance of filters and neurons to determine the number of quantization bits of each filter or neuron. Experimental results demonstrate that the proposed method can maintain the inference accuracy with low bit-width quantization. Given the same number of quantization bits, the proposed method can also achieve a better inference accuracy than the existing methods.

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。

由于稀疏神经网络通常包含许多零权重，因此可以在不降低网络性能的情况下潜在地消除这些不必要的网络连接。因此，设计良好的稀疏神经网络具有显着降低拖鞋和计算资源的潜力。在这项工作中，我们提出了一种新的自动修剪方法 - 稀疏连接学习（SCL）。具体地，重量被重新参数化为可培训权重变量和二进制掩模的元素方向乘法。因此，由二进制掩模完全描述网络连接，其由单位步进函数调制。理论上，从理论上证明了使用直通估计器（STE）进行网络修剪的基本原理。这一原则是STE的代理梯度应该是积极的，确保掩模变量在其最小值处收敛。在找到泄漏的Relu后，SoftPlus和Identity Stes可以满足这个原理，我们建议采用SCL的身份STE以进行离散面膜松弛。我们发现不同特征的面具梯度非常不平衡，因此，我们建议将每个特征的掩模梯度标准化以优化掩码变量训练。为了自动训练稀疏掩码，我们将网络连接总数作为我们的客观函数中的正则化术语。由于SCL不需要由网络层设计人员定义的修剪标准或超级参数，因此在更大的假设空间中探讨了网络，以实现最佳性能的优化稀疏连接。 SCL克服了现有自动修剪方法的局限性。实验结果表明，SCL可以自动学习并选择各种基线网络结构的重要网络连接。 SCL培训的深度学习模型以稀疏性，精度和减少脚波特的SOTA人类设计和自动修剪方法训练。

内存深度学习计算它们存储的神经网络模型，从而避免了存储器和计算单元之间的长距离通信，导致能量和时间相当节省。内存深度学习已经证明了幅度较高的性能密度和能效。利用新兴的记忆技术的利用承诺进一步增加密度，能量和性能的增长。然而，新兴内存技术本质上是不稳定的，导致数据读取的随机波动。这可以转化为不可忽略的准确性损失，可能会使收益损失。在本文中，我们提出了三种可以在数学上克服新兴内存技术的不稳定问题的优化技术。它们可以提高内存深度学习模型的准确性，同时最大限度地提高其能效。实验表明，我们的解决方案可以充分恢复大多数模型的最先进的准确性，并至少达到比最先进的能效效率更高的阶数。

培训广泛和深度神经网络（DNN）需要大量的存储资源，例如内存，因为在转发传播期间必须在存储器中保存中间激活数据，然后恢复以便向后传播。然而，由于硬件设计约束，诸如GPU之类的最先进的加速器（例如GPU）仅配备了非常有限的存储容量，这显着限制了在训练大规模DNN时的最大批量大小和性能加速。传统的记忆保存技术均受性能开销或受限互连带宽或特定互连技术的约束。在本文中，我们提出了一种新颖的记忆高效的CNN训练框架（称为Comet），利用错误界限的损耗压缩来显着降低训练的内存要求，以允许培训更大的模型或加速培训。不同于采用基于图像的有损压缩机（例如JPEG）的最先进的解决方案来压缩激活数据，我们的框架故意采用严格的错误控制机制来采用错误界限的损耗压缩。具体而言，我们对从改变的激活数据传播到梯度的压缩误差传播的理论分析，并经验探讨改变梯度对训练过程的影响。基于这些分析，我们优化了误报的损耗压缩，并提出了一种用于激活数据压缩的自适应误差控制方案。我们评估我们对最先进的解决方案的设计，其中包含五个广泛采用的CNN和Imagenet DataSet。实验表明，我们所提出的框架可以在基线训练中显着降低13.5倍，并分别在另一个最先进的基于压缩框架上的1.8倍，几乎没有准确性损失。

尽管深度神经网络（DNN）已成为多个无处不在的应用程序的骨干技术，但它们在资源受限的机器中的部署，例如物联网（IoT）设备，仍然具有挑战性。为了满足这种范式的资源要求，引入了与IoT协同作用的深入推断。但是，DNN网络的分布遭受严重的数据泄漏。已经提出了各种威胁，包括黑盒攻击，恶意参与者可以恢复送入其设备的任意输入。尽管许多对策旨在实现隐私的DNN，但其中大多数会导致额外的计算和较低的准确性。在本文中，我们提出了一种方法，该方法通过重新考虑分配策略而无需牺牲模型性能来针对协作深度推断的安全性。特别是，我们检查了使该模型容易受到黑盒威胁的不同DNN分区，并得出了应分配每个设备的数据量以隐藏原始输入的所有权。我们将这种方法制定为一种优化，在该方法中，我们在共同推导的延迟与数据级别的数据级别之间建立了权衡。接下来，为了放大最佳解决方案，我们将方法塑造为支持异质设备以及多个DNN/数据集的增强学习（RL）设计。

在当今智能网络物理系统时代，由于它们在复杂的现实世界应用中的最新性能，深度神经网络（DNN）已无处不在。这些网络的高计算复杂性转化为增加的能源消耗，这是在资源受限系统中部署大型DNN的首要障碍。通过培训后量化实现的定点（FP）实现通常用于减少这些网络的能源消耗。但是，FP中的均匀量化间隔将数据结构的位宽度限制为大值，因为需要以足够的分辨率来表示大多数数字并避免较高的量化误差。在本文中，我们利用了关键见解，即（在大多数情况下）DNN的权重和激活主要集中在零接近零，只有少数几个具有较大的幅度。我们提出了Conlocnn，该框架是通过利用来实现节能低精度深度卷积神经网络推断的框架：（1）重量的不均匀量化，以简化复杂的乘法操作的简化； （2）激活值之间的相关性，可以在低成本的情况下以低成本进行部分补偿，而无需任何运行时开销。为了显着从不均匀的量化中受益，我们还提出了一种新颖的数据表示格式，编码低精度二进制签名数字，以压缩重量的位宽度，同时确保直接使用编码的权重来使用新颖的多重和处理 - 积累（MAC）单元设计。

依靠这样的前提是，二进制神经网络的性能可以在很大程度上恢复，而完全精确的权重向量与其相应的二进制向量之间的量化错误，网络二线化的现有作品经常采用模型鲁棒性的想法以达到上述目标。但是，鲁棒性仍然是一个不明智的概念，而没有扎实的理论支持。在这项工作中，我们介绍了Lipschitz的连续性，即定义明确的功能特性，是定义BNN模型鲁棒性的严格标准。然后，我们建议将Lipschitz连续性保留为正规化项，以提高模型的鲁棒性。特别是，虽然流行的Lipschitz涉及正则化方法由于其极端稀疏而经常在BNN中崩溃，但我们将保留矩阵设计以近似于目标重量矩阵的光谱规范，可以将其作为BNN的Lipschitz常数的近似值部署精确的L​​ipschitz恒定计算（NP-HARD）。我们的实验证明，我们的BNN特异性正则化方法可以有效地增强BNN的鲁棒性（在Imagenet-C上作证），从而在CIFAR和Imagenet上实现最新性能。

神经形态的神经网络处理器，以记忆中的计算横杆阵列的形式，或以亚阈值模拟和混合信号ASIC的形式，有望在基于NN的ML任务的计算密度和能源效率方面具有巨大优势。但是，由于过程变化和内在的设备物理学，这些技术容易出现计算非理想性。通过将参数噪声引入部署模型中，这会降低部署到处理器的网络的任务性能。虽然可以为每个处理器校准每个设备或单独训练网络，但这些方法对于商业部署而言是昂贵且不切实际的。因此，由于网络体系结构和参数的结果，需要替代方法来训练与参数变化固有强大的网络。我们提出了一种新的对抗网络优化算法，该算法在训练过程中攻击网络参数，并在参数变化时促进推断期间的稳健性能。我们的方法引入了正规化术语，惩罚网络对权重扰动的敏感性。我们将与先前产生参数不敏感的方法进行比较，例如辍学，体重平滑和训练过程中引入参数噪声。我们表明，我们的方法产生的模型对目标参数变化更强大，并且对随机参数变化同样强大。与其他方法相比，我们的方法在减肥景观的平坦位置中发现了最小值，这强调了我们技术发现的网络对参数扰动不太敏感。我们的工作提供了一种将神经网络体系结构部署到遭受计算非理想性的推理设备的方法，而性能的损失最少。 ...

Low-rankness plays an important role in traditional machine learning, but is not so popular in deep learning. Most previous low-rank network compression methods compress the networks by approximating pre-trained models and re-training. However, the optimal solution in the Euclidean space may be quite different from the one in the low-rank manifold. A well-pre-trained model is not a good initialization for the model with low-rank constraints. Thus, the performance of a low-rank compressed network degrades significantly. Compared to other network compression methods such as pruning, low-rank methods attracts less attention in recent years. In this paper, we devise a new training method, low-rank projection with energy transfer (LRPET), that trains low-rank compressed networks from scratch and achieves competitive performance. First, we propose to alternately perform stochastic gradient descent training and projection onto the low-rank manifold. Compared to re-training on the compact model, this enables full utilization of model capacity since solution space is relaxed back to Euclidean space after projection. Second, the matrix energy (the sum of squares of singular values) reduction caused by projection is compensated by energy transfer. We uniformly transfer the energy of the pruned singular values to the remaining ones. We theoretically show that energy transfer eases the trend of gradient vanishing caused by projection. Third, we propose batch normalization (BN) rectification to cut off its effect on the optimal low-rank approximation of the weight matrix, which further improves the performance. Comprehensive experiments on CIFAR-10 and ImageNet have justified that our method is superior to other low-rank compression methods and also outperforms recent state-of-the-art pruning methods. Our code is available at https://github.com/BZQLin/LRPET.

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。