已经证明量化是提高深神经网络推理效率的重要方法（DNN）。然而，在将DNN权重或从高精度格式从高精度格式量化到它们量化的对应物的同时，在准确性和效率之间取得良好的平衡仍然具有挑战性。我们提出了一种称为弹性显着位量化（ESB）的新方法，可控制量化值的有效位数，以获得具有更少资源的更好的推理准确性。我们设计一个统一的数学公式，以限制ESB的量化值，具有灵活的有效位。我们还引入了分布差对准器（DDA），以定量对齐全精密重量或激活值和量化值之间的分布。因此，ESB适用于各种重量和DNN的激活的各种钟形分布，从而保持高推理精度。从较少的量化值中受益于较少的量化值，ESB可以降低乘法复杂性。我们将ESB实施为加速器，并定量评估其对FPGA的效率。广泛的实验结果表明，ESB量化始终如一地优于最先进的方法，并分别通过AlexNet，Resnet18和MobileNetv2的平均精度提高4.78％，1.92％和3.56％。此外，ESB作为加速器可以在Xilinx ZCU102 FPGA平台上实现1K LUT的10.95 GOPS峰值性能。与FPGA上的CPU，GPU和最先进的加速器相比，ESB加速器可以分别将能效分别提高到65倍，11x和26倍。

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。

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。

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。

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。

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.

量化是一种降低DNN模型的计算和记忆成本的技术，DNN模型越来越大。现有的量化解决方案使用固定点整数或浮点类类型，这些量子的好处有限，因为两者都需要更多位以保持原始型号的准确性。另一方面，可变长度量化使用低位量化对正常值和高精度的分数对异常值的一部分。即使这项工作带来了算法的好处，但由于长度的编码和解码，它也引入了重要的硬件开销。在这项工作中，我们提出了一种称为ANT的固定长度自适应数值数据类型，以通过微小的硬件开销实现低位量化。我们的数据类型ANT利用了两项关键创新来利用DNN模型中的张贴内和调整的自适应机会。首先，我们提出了一种特定的数据类型Flint，该数据类型结合了Float和INT的优势，以适应张量中不同值的重要性。其次，我们提出了一个自适应框架，该框架根据其分布特性选择每个张量的最佳类型。我们为蚂蚁设计了统一的处理元件体系结构，并显示其与现有DNN加速器的易于集成。我们的设计导致2.8 $ \ times $速度和2.5 $ \ times $ $ $ $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $ $ \ times $比最先进的量化加速器提高了能源效率。

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。

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。

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.

When training early-stage deep neural networks (DNNs), generating intermediate features via convolution or linear layers occupied most of the execution time. Accordingly, extensive research has been done to reduce the computational burden of the convolution or linear layers. In recent mobile-friendly DNNs, however, the relative number of operations involved in processing these layers has significantly reduced. As a result, the proportion of the execution time of other layers, such as batch normalization layers, has increased. Thus, in this work, we conduct a detailed analysis of the batch normalization layer to efficiently reduce the runtime overhead in the batch normalization process. Backed up by the thorough analysis, we present an extremely efficient batch normalization, named LightNorm, and its associated hardware module. In more detail, we fuse three approximation techniques that are i) low bit-precision, ii) range batch normalization, and iii) block floating point. All these approximate techniques are carefully utilized not only to maintain the statistics of intermediate feature maps, but also to minimize the off-chip memory accesses. By using the proposed LightNorm hardware, we can achieve significant area and energy savings during the DNN training without hurting the training accuracy. This makes the proposed hardware a great candidate for the on-device training.

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。

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。

视觉变压器（VIT）正在出现，并且在计算机视觉任务中的准确性显着提高。但是，它们的复杂架构和巨大的计算/存储需求对新硬件加速器设计方法施加了紧迫的需求。这项工作提出了基于提议的混合速度量化的FPGA感知自动VIT加速框架。据我们所知，这是探索模型量化的第一个基于FPGA的VIT加速框架。与最先进的VIT量化工作（仅无硬件加速的算法方法）相比，我们的量化在相同的位宽度下可实现0.47％至1.36％的TOP-1精度。与32位浮点基线FPGA加速器相比，我们的加速器在框架速率上的提高约为5.6倍（即56.8 fps vs. 10.0 fps），对于DeitBase的ImagEnet数据集，精度下降了0.71％。

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。

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.

卷积神经网络（CNN）的量化表现出显着的进展，其意图通过低比特宽度数据输入降低计算和存储成本。然而，没有关于现有全比特宽处理单元（例如CPU和DSP）的系统研究，可以更好地利用各种量化位线下的卷积的显着更高的计算吞吐量。在这项研究中，我们提出了Hikonv，一个统一的解决方案，它通过新的比特和平的并行计算来最大化给定底层处理单元的计算吞吐量来处理低比特宽量化数据输入。我们使用全比特宽乘法器建立理论性能范围，以实现高度并行化的低位宽卷积，并展示在该关键域中的高性能计算的新突破。例如，单个32位处理单元可以在一个CPU指令下提供128个二值化卷积操作（乘法和添加），并且单个27X18 DSP核心可以在一个周期中提供具有4位输入的八个卷积操作。我们展示了Hikonv对卷积层或完整的DNN模型的CPU和FPGA的有效性。对于量化为4位的卷积层，Hikonv在CPU上使用C ++实现了基线实现的3.17x延迟改进。与FPGA的DAC-SDC 2020冠军模型相比，HIKONV分别实现了2.37倍的吞吐量提高和2.61倍的DSP效率改进。

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。

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）。