Despite its importance for federated learning, continuous learning and many other applications, on-device training remains an open problem for EdgeAI. The problem stems from the large number of operations (e.g., floating point multiplications and additions) and memory consumption required during training by the back-propagation algorithm. Consequently, in this paper, we propose a new gradient filtering approach which enables on-device DNN model training. More precisely, our approach creates a special structure with fewer unique elements in the gradient map, thus significantly reducing the computational complexity and memory consumption of back propagation during training. Extensive experiments on image classification and semantic segmentation with multiple DNN models (e.g., MobileNet, DeepLabV3, UPerNet) and devices (e.g., Raspberry Pi and Jetson Nano) demonstrate the effectiveness and wide applicability of our approach. For example, compared to SOTA, we achieve up to 19$\times$ speedup and 77.1% memory savings on ImageNet classification with only 0.1% accuracy loss. Finally, our method is easy to implement and deploy; over 20$\times$ speedup and 90% energy savings have been observed compared to highly optimized baselines in MKLDNN and CUDNN on NVIDIA Jetson Nano. Consequently, our approach opens up a new direction of research with a huge potential for on-device training.

由于存储器和计算资源有限，部署在移动设备上的卷积神经网络（CNNS）是困难的。我们的目标是通过利用特征图中的冗余来设计包括CPU和GPU的异构设备的高效神经网络，这很少在神经结构设计中进行了研究。对于类似CPU的设备，我们提出了一种新颖的CPU高效的Ghost（C-Ghost）模块，以生成从廉价操作的更多特征映射。基于一组内在的特征映射，我们使用廉价的成本应用一系列线性变换，以生成许多幽灵特征图，可以完全揭示内在特征的信息。所提出的C-Ghost模块可以作为即插即用组件，以升级现有的卷积神经网络。 C-Ghost瓶颈旨在堆叠C-Ghost模块，然后可以轻松建立轻量级的C-Ghostnet。我们进一步考虑GPU设备的有效网络。在建筑阶段的情况下，不涉及太多的GPU效率（例如，深度明智的卷积），我们建议利用阶段明智的特征冗余来制定GPU高效的幽灵（G-GHOST）阶段结构。舞台中的特征被分成两个部分，其中使用具有较少输出通道的原始块处理第一部分，用于生成内在特征，另一个通过利用阶段明智的冗余来生成廉价的操作。在基准测试上进行的实验证明了所提出的C-Ghost模块和G-Ghost阶段的有效性。 C-Ghostnet和G-Ghostnet分别可以分别实现CPU和GPU的准确性和延迟的最佳权衡。代码可在https://github.com/huawei-noah/cv-backbones获得。

模型二进制化是一种压缩神经网络并加速其推理过程的有效方法。但是，1位模型和32位模型之间仍然存在显着的性能差距。实证研究表明，二进制会导致前进和向后传播中的信息损失。我们提出了一个新颖的分布敏感信息保留网络（DIR-NET），该网络通过改善内部传播和引入外部表示，将信息保留在前后传播中。 DIR-NET主要取决于三个技术贡献：（1）最大化二进制（IMB）的信息：最小化信息损失和通过重量平衡和标准化同时同时使用权重/激活的二进制误差； （2）分布敏感的两阶段估计器（DTE）：通过共同考虑更新能力和准确的梯度来通过分配敏感的软近似来保留梯度的信息； （3）代表性二进制 - 意识蒸馏（RBD）：通过提炼完整精确和二元化网络之间的表示来保留表示信息。 DIR-NET从统一信息的角度研究了BNN的前进过程和后退过程，从而提供了对网络二进制机制的新见解。我们的DIR-NET中的三种技术具有多功能性和有效性，可以在各种结构中应用以改善BNN。关于图像分类和客观检测任务的综合实验表明，我们的DIR-NET始终优于主流和紧凑型体系结构（例如Resnet，vgg，vgg，EfficityNet，darts和mobilenet）下最新的二进制方法。此外，我们在现实世界中的资源有限设备上执行DIR-NET，该设备可实现11.1倍的存储空间和5.4倍的速度。

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。

最近，低精确的深度学习加速器（DLA）由于其在芯片区域和能源消耗方面的优势而变得流行，但是这些DLA上的低精确量化模型导致严重的准确性降解。达到高精度和高效推断的一种方法是在低精度DLA上部署高精度神经网络，这很少被研究。在本文中，我们提出了平行的低精确量化（PALQUANT）方法，该方法通过从头开始学习并行低精度表示来近似高精度计算。此外，我们提出了一个新型的循环洗牌模块，以增强平行低精度组之间的跨组信息通信。广泛的实验表明，PALQUANT的精度和推理速度既优于最先进的量化方法，例如，对于RESNET-18网络量化，PALQUANT可以获得0.52 \％的准确性和1.78 $ \ times $ speedup同时获得在最先进的2位加速器上的4位反片机上。代码可在\ url {https://github.com/huqinghao/palquant}中获得。

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。

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。

To reduce the significant redundancy in deep Convolutional Neural Networks (CNNs), most existing methods prune neurons by only considering statistics of an individual layer or two consecutive layers (e.g., prune one layer to minimize the reconstruction error of the next layer), ignoring the effect of error propagation in deep networks. In contrast, we argue that it is essential to prune neurons in the entire neuron network jointly based on a unified goal: minimizing the reconstruction error of important responses in the "final response layer" (FRL), which is the secondto-last layer before classification, for a pruned network to retrain its predictive power. Specifically, we apply feature ranking techniques to measure the importance of each neuron in the FRL, and formulate network pruning as a binary integer optimization problem and derive a closed-form solution to it for pruning neurons in earlier layers. Based on our theoretical analysis, we propose the Neuron Importance Score Propagation (NISP) algorithm to propagate the importance scores of final responses to every neuron in the network. The CNN is pruned by removing neurons with least importance, and then fine-tuned to retain its predictive power. NISP is evaluated on several datasets with multiple CNN models and demonstrated to achieve significant acceleration and compression with negligible accuracy loss.

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。

Deploying convolutional neural networks (CNNs) on embedded devices is difficult due to the limited memory and computation resources. The redundancy in feature maps is an important characteristic of those successful CNNs, but has rarely been investigated in neural architecture design. This paper proposes a novel Ghost module to generate more feature maps from cheap operations. Based on a set of intrinsic feature maps, we apply a series of linear transformations with cheap cost to generate many ghost feature maps that could fully reveal information underlying intrinsic features. The proposed Ghost module can be taken as a plug-and-play component to upgrade existing convolutional neural networks. Ghost bottlenecks are designed to stack Ghost modules, and then the lightweight Ghost-Net can be easily established. Experiments conducted on benchmarks demonstrate that the proposed Ghost module is an impressive alternative of convolution layers in baseline models, and our GhostNet can achieve higher recognition performance (e.g. 75.7% top-1 accuracy) than MobileNetV3 with similar computational cost on the ImageNet ILSVRC-2012 classification dataset. Code is available at https: //github.com/huawei-noah/ghostnet.

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。

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。

我们提出了一种多移民通道（MGIC）方法，该方法可以解决参数数量相对于标准卷积神经网络（CNN）中的通道数的二次增长。因此，我们的方法解决了CNN中的冗余，这也被轻量级CNN的成功所揭示。轻巧的CNN可以达到与参数较少的标准CNN的可比精度。但是，权重的数量仍然随CNN的宽度四倍地缩放。我们的MGIC体系结构用MGIC对应物代替了每个CNN块，该块利用了小组大小的嵌套分组卷积的层次结构来解决此问题。因此，我们提出的架构相对于网络的宽度线性扩展，同时保留了通道的完整耦合，如标准CNN中。我们对图像分类，分割和点云分类进行的广泛实验表明，将此策略应用于Resnet和MobilenetV3等不同体系结构，可以减少参数的数量，同时获得相似或更好的准确性。

转置卷积在许多深度学习应用中都表现出突出。但是，由于在每个行和列中的每个元素之后添加零之后，特征映射的大小增加，因此转置卷积层在计算范围内都在计算密集型。因此，在扩展的输入特征图上进行的卷积操作导致硬件资源的利用率不佳。不必要的乘法操作的主要原因是在输入特征映射中的预定位置处的零。我们提出了一种算法级优化技术，用于有效的转置卷积实施以解决这些问题。基于内核激活，我们将原始内核隔离为四个子内核。该方案可以减少内存需求和不必要的乘法。我们提出的方法是使用Kaggle网站上的Flower DataSet使用Titan X GPU（Intel Dual Core CPU）的$ 3.09（3.02）\ Times $ $更快的计算。此外，提出的优化方法可以推广到现有设备，而无需其他硬件要求。一个简单的深度学习模型，其中包含一个转齿卷积层来评估优化方法。它显示出使用具有Intel双核CPU的MNIST数据集的$ 2.2 \ times $ $更快的培训。

Segblocks通过根据图像区域的复杂性动态调整处理分辨率来降低现有神经网络的计算成本。我们的方法将图像拆分为低复杂性的块和尺寸块块，从而减少了操作数量和内存消耗的数量。轻量级的政策网络选择复杂区域，是使用强化学习训练的。此外，我们介绍了CUDA中实现的几个模块以处理块中的图像。最重要的是，我们的新颖的阻止模块可以防止现有方法遭受的块边界的特征不连续性，同时保持记忆消耗受到控制。我们对语义分割的城市景观，Camvid和Mapillary Vistas数据集进行的实验表明，与具有相似复杂性的静态基准相比，动态处理图像与复杂性的折衷相对于复杂性更高。例如，我们的方法将SwiftNet-RN18的浮点操作数量降低了60％，并将推理速度提高50％，而CityScapes的MIOU准确性仅降低0.3％。

Transfer learning on edge is challenging due to on-device limited resources. Existing work addresses this issue by training a subset of parameters or adding model patches. Developed with inference in mind, Inverted Residual Blocks (IRBs) split a convolutional layer into depthwise and pointwise convolutions, leading to more stacking layers, e.g., convolution, normalization, and activation layers. Though they are efficient for inference, IRBs require that additional activation maps are stored in memory for training weights for convolution layers and scales for normalization layers. As a result, their high memory cost prohibits training IRBs on resource-limited edge devices, and making them unsuitable in the context of transfer learning. To address this issue, we present MobileTL, a memory and computationally efficient on-device transfer learning method for models built with IRBs. MobileTL trains the shifts for internal normalization layers to avoid storing activation maps for the backward pass. Also, MobileTL approximates the backward computation of the activation layer (e.g., Hard-Swish and ReLU6) as a signed function which enables storing a binary mask instead of activation maps for the backward pass. MobileTL fine-tunes a few top blocks (close to output) rather than propagating the gradient through the whole network to reduce the computation cost. Our method reduces memory usage by 46% and 53% for MobileNetV2 and V3 IRBs, respectively. For MobileNetV3, we observe a 36% reduction in floating-point operations (FLOPs) when fine-tuning 5 blocks, while only incurring a 0.6% accuracy reduction on CIFAR10. Extensive experiments on multiple datasets demonstrate that our method is Pareto-optimal (best accuracy under given hardware constraints) compared to prior work in transfer learning for edge devices.

Adder Neural Network (AdderNet) provides a new way for developing energy-efficient neural networks by replacing the expensive multiplications in convolution with cheaper additions (i.e.l1-norm). To achieve higher hardware efficiency, it is necessary to further study the low-bit quantization of AdderNet. Due to the limitation that the commutative law in multiplication does not hold in l1-norm, the well-established quantization methods on convolutional networks cannot be applied on AdderNets. Thus, the existing AdderNet quantization techniques propose to use only one shared scale to quantize both the weights and activations simultaneously. Admittedly, such an approach can keep the commutative law in the l1-norm quantization process, while the accuracy drop after low-bit quantization cannot be ignored. To this end, we first thoroughly analyze the difference on distributions of weights and activations in AdderNet and then propose a new quantization algorithm by redistributing the weights and the activations. Specifically, the pre-trained full-precision weights in different kernels are clustered into different groups, then the intra-group sharing and inter-group independent scales can be adopted. To further compensate the accuracy drop caused by the distribution difference, we then develop a lossless range clamp scheme for weights and a simple yet effective outliers clamp strategy for activations. Thus, the functionality of full-precision weights and the representation ability of full-precision activations can be fully preserved. The effectiveness of the proposed quantization method for AdderNet is well verified on several benchmarks, e.g., our 4-bit post-training quantized adder ResNet-18 achieves an 66.5% top-1 accuracy on the ImageNet with comparable energy efficiency, which is about 8.5% higher than that of the previous AdderNet quantization methods.

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。

We propose two efficient approximations to standard convolutional neural networks: Binary-Weight-Networks and XNOR-Networks. In Binary-Weight-Networks, the filters are approximated with binary values resulting in 32× memory saving. In XNOR-Networks, both the filters and the input to convolutional layers are binary. XNOR-Networks approximate convolutions using primarily binary operations. This results in 58× faster convolutional operations (in terms of number of the high precision operations) and 32× memory savings. XNOR-Nets offer the possibility of running state-of-the-art networks on CPUs (rather than GPUs) in real-time. Our binary networks are simple, accurate, efficient, and work on challenging visual tasks. We evaluate our approach on the ImageNet classification task. The classification accuracy with a Binary-Weight-Network version of AlexNet is the same as the full-precision AlexNet. We compare our method with recent network binarization methods, BinaryConnect and BinaryNets, and outperform these methods by large margins on ImageNet, more than 16% in top-1 accuracy. Our code is available at: http://allenai.org/plato/xnornet.

We focus on the challenging task of real-time semantic segmentation in this paper. It finds many practical applications and yet is with fundamental difficulty of reducing a large portion of computation for pixel-wise label inference. We propose an image cascade network (ICNet) that incorporates multi-resolution branches under proper label guidance to address this challenge. We provide in-depth analysis of our framework and introduce the cascade feature fusion unit to quickly achieve highquality segmentation. Our system yields real-time inference on a single GPU card with decent quality results evaluated on challenging datasets like Cityscapes, CamVid and COCO-Stuff.