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。

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.

最新的努力改善了满足当今应用程序要求的神经网络（NN）加速器的性能，这引起了基于逻辑NN推理的新趋势，该趋势依赖于固定功能组合逻辑。将如此大的布尔函数与许多输入变量和产品项绘制到现场可编程门阵列（FPGA）上的数字信号处理器（DSP）需要一个新颖的框架，考虑到此过程中DSP块的结构和可重构性。本文中提出的方法将固定功能组合逻辑块映射到一组布尔功能，其中与每个功能相对应的布尔操作映射到DSP设备，而不是FPGA上的查找表（LUTS），以利用高性能，DSP块的低潜伏期和并行性。 ％本文还提出了一种用于NNS编译和映射的创新设计和优化方法，并利用固定功能组合逻辑与DSP进行了使用高级合成流的FPGA上的DSP。 ％我们在几个\ revone {DataSets}上进行的实验评估和选定的NNS与使用DSP的基于ART FPGA的NN加速器相比，根据推理潜伏期和输出准确性，证明了我们框架的可比性。

Spiking Neural Networks (SNNs) are bio-plausible models that hold great potential for realizing energy-efficient implementations of sequential tasks on resource-constrained edge devices. However, commercial edge platforms based on standard GPUs are not optimized to deploy SNNs, resulting in high energy and latency. While analog In-Memory Computing (IMC) platforms can serve as energy-efficient inference engines, they are accursed by the immense energy, latency, and area requirements of high-precision ADCs (HP-ADC), overshadowing the benefits of in-memory computations. We propose a hardware/software co-design methodology to deploy SNNs into an ADC-Less IMC architecture using sense-amplifiers as 1-bit ADCs replacing conventional HP-ADCs and alleviating the above issues. Our proposed framework incurs minimal accuracy degradation by performing hardware-aware training and is able to scale beyond simple image classification tasks to more complex sequential regression tasks. Experiments on complex tasks of optical flow estimation and gesture recognition show that progressively increasing the hardware awareness during SNN training allows the model to adapt and learn the errors due to the non-idealities associated with ADC-Less IMC. Also, the proposed ADC-Less IMC offers significant energy and latency improvements, $2-7\times$ and $8.9-24.6\times$, respectively, depending on the SNN model and the workload, compared to HP-ADC IMC.

穗状花序的神经形状硬件占据了深度神经网络（DNN）的更节能实现的承诺，而不是GPU的标准硬件。但这需要了解如何在基于事件的稀疏触发制度中仿真DNN，否则能量优势丢失。特别地，解决序列处理任务的DNN通常采用难以使用少量尖峰效仿的长短期存储器（LSTM）单元。我们展示了许多生物神经元的面部，在每个尖峰后缓慢的超积极性（AHP）电流，提供了有效的解决方案。 AHP电流可以轻松地在支持多舱神经元模型的神经形状硬件中实现，例如英特尔的Loihi芯片。滤波近似理论解释为什么AHP-Neurons可以模拟LSTM单元的功能。这产生了高度节能的时间序列分类方法。此外，它为实现了非常稀疏的大量大型DNN来实现基础，这些大型DNN在文本中提取单词和句子之间的关系，以便回答有关文本的问题。

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。

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。

The term ``neuromorphic'' refers to systems that are closely resembling the architecture and/or the dynamics of biological neural networks. Typical examples are novel computer chips designed to mimic the architecture of a biological brain, or sensors that get inspiration from, e.g., the visual or olfactory systems in insects and mammals to acquire information about the environment. This approach is not without ambition as it promises to enable engineered devices able to reproduce the level of performance observed in biological organisms -- the main immediate advantage being the efficient use of scarce resources, which translates into low power requirements. The emphasis on low power and energy efficiency of neuromorphic devices is a perfect match for space applications. Spacecraft -- especially miniaturized ones -- have strict energy constraints as they need to operate in an environment which is scarce with resources and extremely hostile. In this work we present an overview of early attempts made to study a neuromorphic approach in a space context at the European Space Agency's (ESA) Advanced Concepts Team (ACT).

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。

Spiking neural networks (SNN) are a viable alternative to conventional artificial neural networks when energy efficiency and computational complexity are of importance. A major advantage of SNNs is their binary information transfer through spike trains. The training of SNN has, however, been a challenge, since neuron models are non-differentiable and traditional gradient-based backpropagation algorithms cannot be applied directly. Furthermore, spike-timing-dependent plasticity (STDP), albeit being a spike-based learning rule, updates weights locally and does not optimize for the output error of the network. We present desire backpropagation, a method to derive the desired spike activity of neurons from the output error. The loss function can then be evaluated locally for every neuron. Incorporating the desire values into the STDP weight update leads to global error minimization and increasing classification accuracy. At the same time, the neuron dynamics and computational efficiency of STDP are maintained, making it a spike-based supervised learning rule. We trained three-layer networks to classify MNIST and Fashion-MNIST images and reached an accuracy of 98.41% and 87.56%, respectively. Furthermore, we show that desire backpropagation is computationally less complex than backpropagation in traditional neural networks.

这项工作侧重于特定于域的加速器的有效敏捷设计方法。我们采用垂直开发堆栈的功能逐个功能增强，并将其应用于TVM / VTA推理加速器。我们已经增强了VTA设计空间，并启用了用于额外工作负载的端到端支持。这是通过增强VTA微架构和指令集架构（ISA）来实现的，以及通过增强TVM编译堆栈来支持各种VTA配置。 VTA TSIM实现（基于凿子）已通过ALU / GEMM执行单元的完全流水线版本增强。在TSIM中，内存宽度现在可以在8-64字节之间。对于支持较大的刮板，已经使场宽度更加灵活。已添加新的说明：元素 - WISE 8位乘法，支持深度卷积，并使用焊盘值的选择加载以支持最大池。还添加了对更多层和更好的双缓冲。完全管制的ALU / GEMM有助于显着帮助：4.9倍的循环较少，最小区域更改为在默认配置下运行RESET-18。可以实例化特征在于11.5倍的循环计数的配置，以12倍的循环计数更大的区域。显示了区域性能帕累托曲线上的许多点，展示了执行单元尺寸，内存接口宽度和刻痕尺寸的余额。最后，VTA现在能够运行MobileNet 1.0和所有层进行Resnet，包括先前禁用的池和完全连接的图层。 TVM / VTA架构始终在几分钟内以RTL呈现端到端工作量评估。通过我们的修改，它现在提供了更大的可行配置，具有广泛的成本与性能。所有提到的所有功能都可以在OpenSource叉中提供，而这些功能的子集已经上游。

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。

胶囊网络（CAPSNET）是图像处理的新兴趋势。与卷积神经网络相反，CAPSNET不容易受到对象变形的影响，因为对象的相对空间信息在整个网络中保存。但是，它们的复杂性主要与胶囊结构和动态路由机制有关，这使得以其原始形式部署封闭式以由小型微控制器（MCU）供电的设备几乎是不合理的。在一个智力从云到边缘迅速转移的时代，这种高复杂性对在边缘的采用capsnets的采用构成了严重的挑战。为了解决此问题，我们提出了一个API，用于执行ARM Cortex-M和RISC-V MCUS中的量化capsnet。我们的软件内核扩展了ARM CMSIS-NN和RISC-V PULP-NN，以用8位整数作为操作数支持胶囊操作。随之而来的是，我们提出了一个框架，以执行CAPSNET的训练后量化。结果显示，记忆足迹的减少近75％，准确性损失范围从0.07％到0.18％。在吞吐量方面，我们的ARM Cortex-M API可以分别在仅119.94和90.60毫秒（MS）的中型胶囊和胶囊层执行（STM32H7555ZIT6U，Cortex-M7 @ 480 MHz）。对于GAP-8 SOC（RISC-V RV32IMCXPULP @ 170 MHz），延迟分别降至7.02和38.03 ms。

在本文中，我们为两个静态的美国手语（ASL）手势分类任务（即ASL字母和ASL数字）开发了四个尖峰神经网络（SNN）模型。SNN模型部署在英特尔的神经形态平台上，然后与部署在边缘计算设备（Intel神经计算棒2（NCS2））上的等效深神经网络（DNN）模型进行了比较。在准确性，延迟，功耗和能源方面，我们进行了两种系统之间的全面比较。最佳DNN模型在ASL字母数据集上的精度为99.6％，而最佳性能SNN模型的精度为99.44％。对于ASL数字数据集，最好的SNN模型以99.52％的精度优于其所有DNN对应物。此外，我们获得的实验结果表明，与NCS2相比，Loihi神经形态硬件的实现分别可降低14.67倍和4.09倍。

变形金刚是一种深入学习语言模型，用于数据中心中的自然语言处理（NLP）服务。在变压器模型中，生成的预训练的变压器（GPT）在文本生成或自然语言生成（NLG）中取得了显着的性能，它需要在摘要阶段处理大型输入上下文，然后是产生一个生成阶段的一次单词。常规平台（例如GPU）专门用于在摘要阶段平行处理大型输入，但是由于其顺序特征，它们的性能在生成阶段显着降低。因此，需要一个有效的硬件平台来解决由文本生成的顺序特征引起的高潜伏期。在本文中，我们提出了DFX，这是一种多FPGA加速器，该设备在摘要和发电阶段中执行GPT-2模型端到端，并具有低延迟和高吞吐量。 DFX使用模型并行性和优化的数据流，这是模型和硬件感知的设备之间快速同时执行执行。其计算核心根据自定义说明运行，并提供GPT-2操作端到端。我们在四个Xilinx Alveo U280 FPGAS上实现了建议的硬件体系结构，并利用了高带宽内存（HBM）的所有频道，以及用于高硬件效率的最大计算资源数量。 DFX在现代GPT-2模型上实现了四个NVIDIA V100 GPU的5.58倍加速度和3.99倍的能效。 DFX的成本效益比GPU设备更具成本效益，这表明它是云数据中心中文本生成工作负载的有前途解决方案。

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。

近年来，卷积神经网络（CNN）证明了它们在许多领域解决问题的能力，并且以前无法进行准确性。但是，这带有广泛的计算要求，这使得普通CPU无法提供所需的实时性能。同时，FPGA对加速CNN推断的兴趣激增。这是由于他们有能力创建具有不同级别的并行性的自定义设计。此外，与GPU相比，FPGA提供每瓦的性能更好。基于FPGA的CNN加速器的当前趋势是实现多个卷积层处理器（CLP），每个处理器都针对一层层量身定制。但是，CNN体系结构的日益增长的复杂性使得优化目标FPGA设备上可用的资源，以使最佳性能更具挑战性。在本文中，我们提出了CNN加速器和随附的自动设计方法，该方法采用元启发式学来分区可用的FPGA资源来设计多CLP加速器。具体而言，提出的设计工具采用模拟退火（SA）和禁忌搜索（TS）算法来查找所需的CLP数量及其各自的配置，以在给定的目标FPGA设备上实现最佳性能。在这里，重点是关键规格和硬件资源，包括数字信号处理器，阻止RAM和芯片内存储器带宽。提出了使用四个众所周知的基准CNN的实验结果和比较，表明所提出的加速框架既令人鼓舞又有前途。基于SA-/TS的多CLP比在加速Alexnet，Squeezenet 1.1，VGGNET和Googlenet架构上的最新单个/多CLP方法高1.31x-2.37倍高2.37倍。和VC709 FPGA板。

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.

通过FPGA加速神经网络推断作为一种流行的选择，因为FPGA的重新配置性和高性能计算能力本质上满足了快速发展神经算法的计算需求。然而，FPGA（例如，Xilinx DPU）上的受欢迎的神经加速器主要利用DSP资源来构建其处理单元，而丰富的LUT资源没有充分利用。通过软件 - 硬件共同设计方法，在这项工作中，我们开发了一种基于FPGA的异构计算系统，用于神经网络加速度。从硬件角度来看，所提出的加速器由基于DSP和LUT的一般矩阵乘法（GEMM）计算核心组成，其以异质方式形成整个计算系统。基于DSP和LUT的GEMM核心计算为W.R.T统一指令集架构（ISA）和Unified Buffers。沿着神经网络推理路径的数据流，卷积/完全连接层的计算分为两部分，由基于DSP和LUT的GEMM核心异步处理。从软件的角度来看，我们在数学上和系统地模拟所提出的异构加速器的延迟和资源利用，关于不同的系统设计配置。通过利用加强学习技术，我们构建一个框架，实现目标异构加速器的设计规范的端到端选择和优化，包括工作量分裂策略，混合精度量化方案和DSP和LUT的资源分配 - 核。凭借提出的设计框架和异构计算系统，我们的设计优于最先进的混合和匹配设计，延迟减少了1.12-1.32倍，推理准确性更高。 N3H核心是开放的：https://github.com/elliothe/n3h_core。

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。