日益复杂的机器学习模型的不断增长的计算需求通常需要使用强大的基于云的基础架构进行培训。已知二元神经网络由于其极端的计算和内存节省了更高精确的替代方案，因此有望进行现场推断。但是，他们现有的训练方法需要同时存储所有层的高精度激活，这通常使在内存受限的设备上学习不可行。在本文中，我们证明了二进制神经网络训练所需的向后传播操作对量化非常强大，从而使现代模型的现场学习成为实用命题。我们介绍了一种低成本的二元神经网络训练策略，该策略表现出相当大的记忆范围减少，同时几乎没有准确的损失与Courbariaux＆Bengio的标准方法。这些减少主要是通过仅以二进制格式保留激活来实现的。在后一种算法上，我们的置换替换量看到记忆需求减少3--5 $ \ times $，同时在可比时间内达到相似的测试准确性，这些型号跨越了一系列经过培训的小型模型，用于对流行数据集进行分类。我们还展示了对二进制RESNET-18的从划痕成像网训练，并实现了3.78 $ \ times $减少内存。我们的工作是开源的，包括覆盆子Pi靶向原型，我们用来验证建模的内存降低并捕获相关的能量滴。这样的节省将避免不必要的云下载，减少延迟，提高能源效率和保护最终用户的隐私。

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.

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.

使用本机LUT作为独立培训推理运营商的FPGA特定的DNN架构已被证明实现了有利的区域准确性和能量准确性权衡。该领域的第一个工作Lutnet，对标准DNN基准测试表现出最先进的性能。在本文中，我们提出了学习的基于LUT的拓扑结构的优化，从而导致更高效率的设计，而不是通过直接使用现成的手工设计的网络。本类架构的现有实现需要手动规范的每拉特的输入数，K。选择合适的k先验是具有挑战性的，并且在甚至高粒度下这样做，例如，如此。每个层，是一种耗时和错误的过程，可以留下FPGA的空间灵活性欠缺。此外，先验工作请参阅随机连接的LUT输入，不保证网络拓扑的良好选择。为了解决这些问题，我们提出了逻辑收缩，一种细粒度的网格剪枝方法，使K将自动学习，用于针对FPGA推理的神经网络中的每一个LUT。通过删除确定为低于重要性的LUT输入，我们的方法会增加所得加速器的效率。我们的GPU友好的LUT输入拆卸解决方案能够在培训期间加工大型拓扑，可忽略不计的放缓。通过逻辑收缩，我们可以分别更好地完成CNV网络的最佳Lutnet实现的区域和能源效率，分别将CIFAR-10分别达到1.54倍和1.31倍，同时匹配其精度。该实现也达到2.71倍的区域效率同样准确，严重修剪的BNN。在具有双重净架构的Imagenet上，逻辑收缩的就业导致综合后面积减少2.67倍VS Lutnet，允许以前在今天最大的FPGA上实现的实施。

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.

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.

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。

In this work we introduce a binarized deep neural network (BDNN) model. BDNNs are trained using a novel binarized back propagation algorithm (BBP), which uses binary weights and binary neurons during the forward and backward propagation, while retaining precision of the stored weights in which gradients are accumulated. At test phase, BDNNs are fully binarized and can be implemented in hardware with low circuit complexity. The proposed binarized networks can be implemented using binary convolutions and proxy matrix multiplications with only standard binary XNOR and population count (popcount) operations. BBP is expected to reduce energy consumption by at least two orders of magnitude when compared to the hardware implementation of existing training algorithms. We obtained near state-of-the-art results with BDNNs on the permutation-invariant MNIST, CIFAR-10 and SVHN datasets.

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。

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.

基于惯性数据的人类活动识别（HAR）是从智能手机到超低功率传感器的嵌入式设备上越来越扩散的任务。由于深度学习模型的计算复杂性很高，因此大多数嵌入式HAR系统基于简单且不那么精确的经典机器学习算法。这项工作弥合了在设备上的HAR和深度学习之间的差距，提出了一组有效的一维卷积神经网络（CNN），可在通用微控制器（MCUS）上部署。我们的CNN获得了将超参数优化与子字节和混合精确量化的结合，以在分类结果和记忆职业之间找到良好的权衡。此外，我们还利用自适应推断作为正交优化，以根据处理后的输入来调整运行时的推理复杂性，从而产生更灵活的HAR系统。通过在四个数据集上进行实验，并针对超低功率RISC-V MCU，我们表明（i）我们能够为HAR获得一组丰富的帕累托（Pareto）最佳CNN，以范围超过1个数量级记忆，潜伏期和能耗； （ii）由于自适应推断，我们可以从单个CNN开始得出> 20个运行时操作模式，分类分数的不同程度高达10％，并且推理复杂性超过3倍，并且内存开销有限； （iii）在四个基准中的三个基准中，我们的表现都超过了所有以前的深度学习方法，将记忆占用率降低了100倍以上。获得更好性能（浅层和深度）的少数方法与MCU部署不兼容。 （iv）我们所有的CNN都与推理延迟<16ms的实时式evice Har兼容。他们的记忆职业在0.05-23.17 kb中有所不同，其能源消耗为0.005和61.59 UJ，可在较小的电池供应中进行多年的连续操作。

Although weight and activation quantization is an effective approach for Deep Neural Network (DNN) compression and has a lot of potentials to increase inference speed leveraging bit-operations, there is still a noticeable gap in terms of prediction accuracy between the quantized model and the full-precision model. To address this gap, we propose to jointly train a quantized, bit-operation-compatible DNN and its associated quantizers, as opposed to using fixed, handcrafted quantization schemes such as uniform or logarithmic quantization. Our method for learning the quantizers applies to both network weights and activations with arbitrary-bit precision, and our quantizers are easy to train. The comprehensive experiments on CIFAR-10 and ImageNet datasets show that our method works consistently well for various network structures such as AlexNet, VGG-Net, GoogLeNet, ResNet, and DenseNet, surpassing previous quantization methods in terms of accuracy by an appreciable margin. Code available at https://github.com/Microsoft/LQ-Nets

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。