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。

能量收集（EH）间歇性地运行的IOT设备，与深神经网络（DNN）的进步相结合，为实现可持续智能应用开辟了新的机会。然而，由于有限的资源和间歇电源导致频繁故障的挑战，实现了EH设备上的那些计算和内存密集型智能算法非常困难。为了解决这些挑战，本文提出了一种方法，使得具有用于微小能量收集装置的低能量加速器的超快速深度学习。我们首先提出了一种资源感知结构化DNN训练框架，它采用块循环矩阵与ADMM实现高压缩和模型量化，以利用各种矢量操作加速器的优点。然后提出了一种DNN实现方法，即采用低能量加速器来利用具有较小能耗的最大性能的低能量加速器。最后，我们进一步设计Flex，系统支持在能量收集情况下间歇性计算。来自三种不同DNN模型的实验结果表明RAD，ACE和FLEX可以对能源收集设备进行超快速和正确的推断，该设备可降低高达4.26倍的运行时间，高达7.7倍的能量降低，高精度在最高的状态下艺术。

During the deployment of deep neural networks (DNNs) on edge devices, many research efforts are devoted to the limited hardware resource. However, little attention is paid to the influence of dynamic power management. As edge devices typically only have a budget of energy with batteries (rather than almost unlimited energy support on servers or workstations), their dynamic power management often changes the execution frequency as in the widely-used dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technique. This leads to highly unstable inference speed performance, especially for computation-intensive DNN models, which can harm user experience and waste hardware resources. We firstly identify this problem and then propose All-in-One, a highly representative pruning framework to work with dynamic power management using DVFS. The framework can use only one set of model weights and soft masks (together with other auxiliary parameters of negligible storage) to represent multiple models of various pruning ratios. By re-configuring the model to the corresponding pruning ratio for a specific execution frequency (and voltage), we are able to achieve stable inference speed, i.e., keeping the difference in speed performance under various execution frequencies as small as possible. Our experiments demonstrate that our method not only achieves high accuracy for multiple models of different pruning ratios, but also reduces their variance of inference latency for various frequencies, with minimal memory consumption of only one model and one soft mask.

对将AI功能从云上的数据中心转移到边缘或最终设备的需求越来越大，这是由在智能手机，AR/VR设备，自动驾驶汽车和各种汽车上运行的快速实时AI的应用程序举例说明的。物联网设备。然而，由于DNN计算需求与边缘或最终设备上的计算能力之间的较大增长差距，这种转变受到了严重的阻碍。本文介绍了XGEN的设计，这是DNN的优化框架，旨在弥合差距。 XGEN将横切共同设计作为其一阶考虑。它的全栈AI面向AI的优化包括在DNN软件堆栈的各个层的许多创新优化，所有这些优化都以合作的方式设计。独特的技术使XGEN能够优化各种DNN，包括具有极高深度的DNN（例如Bert，GPT，其他变形金刚），并生成代码比现有DNN框架中的代码快几倍，同时提供相同的准确性水平。

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。

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.

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。

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。

在深度学习中，变压器一直是必不可少的主食。但是，对于现实生活中的应用程序，由于模型的巨大参数和操作，部署有效的变压器非常具有挑战性。为了减轻这种负担，利用稀疏是加速变压器的有效方法。新出现的Ampere GPU利用2：4的稀疏模式来实现模型加速度，而在部署模型时，它几乎无法满足各种算法和硬件约束。相比之下，我们提出了一个算法 - 铁软件合作的框架，以灵活有效地加速变压器，通过使用一般的N：M稀疏模式。 （1）从算法的角度来看，我们提出了一种稀疏性遗传机制以及一种遗传的动态修剪（IDP）方法，以迅速获得一系列N：M稀疏候选变压器。进一步提出了模型压缩方案，以显着减少部署的存储需求。 （2）从硬件的角度来看，我们提出了一种灵活，有效的硬件体系结构，即STA，以在部署N：M稀疏变压器时达到显着加速。 STA不仅具有具有较高计算效率的稀疏密度和致密矩阵乘法的计算引擎，而且还具有可扩展的软模块，从而消除了中级外芯片外数据通信的延迟。实验结果表明，与其他使用IDP生成的其他方法相比，n：m稀疏变压器的准确性平均提高了6.7％。此外，与Intel I9-9900X和NVIDIA RTX 2080 TI相比，STA可以达到14.47倍和11.33倍的速度，并且比最先进的基于FPGA的加速器对变形金刚的最先进的推断速度可以快2.00-19.47倍。

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。

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。

深度神经网络（DNN）已显示在许多现实生活中提供极好的性能，但它们的大量计算成本和存储要求已阻止它们部署到许多边缘和内部内容（IOT）设备。稀疏的深神经网络，其大多数重量参数是零，可以大大降低模型的计算复杂性和存储器消耗。在实际使用场景中，设备可能遭受不同环境下的可用计算和存储器资源的大波动，并且由于具有大延迟的长尾延长而难以维持服务质量（QoS）。面对现实生活挑战，我们建议培训支持多个稀疏水平的稀疏模型。也就是说，满足权重的分层结构，使得较少稀疏子模型的较少稀疏子模型区域子集的位置和非零参数的位置。以这种方式，可以在推理期间动态地选择适当的稀疏度水平，而存储成本被最小稀疏子模型覆盖。我们已经在各种DNN模型和任务中验证了我们的方法，包括Reset-50，PointNet ++，GNMT和图表注意网络。我们获得稀疏的子模型，平均重量为13.38％，拖鞋14.97％，而准确性也与他们的密集对应物一样好。具有5.38％权重和4.47％的更稀疏的子模型，跨越少量稀疏的跨，只能获得3.25％的相对精度损耗。

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。

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.

机器学习的进步为低端互联网节点（例如微控制器）带来了新的机会，将情报带入了情报。传统的机器学习部署具有较高的记忆力，并计算足迹阻碍了其在超资源约束的微控制器上的直接部署。本文强调了为MicroController类设备启用机载机器学习的独特要求。研究人员为资源有限的应用程序使用专门的模型开发工作流程，以确保计算和延迟预算在设备限制之内，同时仍保持所需的性能。我们表征了微控制器类设备的机器学习模型开发的广泛适用的闭环工作流程，并表明几类应用程序采用了它的特定实例。我们通过展示多种用例，将定性和数值见解介绍到模型开发的不同阶段。最后，我们确定了开放的研究挑战和未解决的问题，要求仔细考虑前进。

在物联网（IoT）支持的网络边缘（IOT）上的人工智能（AI）的最新进展已通过启用低延期性和计算效率来实现多种应用程序（例如智能农业，智能医院和智能工厂）的优势情报。但是，部署最先进的卷积神经网络（CNN），例如VGG-16和在资源约束的边缘设备上的重新连接，由于其大量参数和浮点操作（Flops），因此实际上是不可行的。因此，将网络修剪作为一种模型压缩的概念正在引起注意在低功率设备上加速CNN。结构化或非结构化的最先进的修剪方法都不认为卷积层表现出的复杂性的不同基本性质，并遵循训练放回训练的管道，从而导致其他计算开销。在这项工作中，我们通过利用CNN的固有层层级复杂性来提出一种新颖和计算高效的修剪管道。与典型的方法不同，我们提出的复杂性驱动算法根据其对整体网络复杂性的贡献选择了特定层用于滤波器。我们遵循一个直接训练修剪模型并避免计算复杂排名和微调步骤的过程。此外，我们定义了修剪的三种模式，即参数感知（PA），拖网（FA）和内存感知（MA），以引入CNN的多功能压缩。我们的结果表明，我们的方法在准确性和加速方面的竞争性能。最后，我们提出了不同资源和准确性之间的权衡取舍，这对于开发人员在资源受限的物联网环境中做出正确的决策可能会有所帮助。

深度神经网络（DNN）已成为移动和嵌入式系统中的普遍存在的技术，用于图像/对象识别和分类。执行多个DNN的趋势同时加剧了资源受限移动设备上满足严格延迟/准确性要求的现有限制。现有技术通过根据资源动态缩放模型大小来探索精度资源权衡的光。然而，这种模型缩放方法接近迫在眉睫的挑战：（i）模型尺寸的大空间探索，（ii）对不同模型组合的培训时间非常长。在本文中，我们介绍了Legodnn，一种用于在移动视觉系统中运行多DNN工作负载的轻质块粒度缩放解决方案。 Legodnn仅通过在DNN中提取和培训少数常见块（例如，在VGG和RENET中的VGG和8中的8中）来保证短模型培训时间。在运行时，Legodnn最佳地结合了这些块的后代模型，以最大限度地在特定资源和延迟约束下最大限度地提高精度，同时通过DNN的智能块级缩放来降低切换开销。我们在Tensorflow Lite中实现Legodnn，并通过一组普遍的DNN模型，广泛地评估了最先进的技术（浮标缩放，知识蒸馏和模型压缩）。评估结果表明，乐高达在模型尺寸下提供了1,296倍至279,936倍，而在不增加训练时间的情况下，推断准确性的提高高达31.74％，降低缩放能耗减少了71.07％。

已经提出了高效和自适应计算机视觉系统以使计算机视觉任务，例如图像分类和对象检测，针对嵌入或移动设备进行了优化。这些解决方案最近的起源，专注于通过设计具有近似旋钮的自适应系统来优化模型（深神经网络，DNN）或系统。尽管最近的几项努力，但我们表明现有解决方案遭受了两个主要缺点。首先，系统不考虑模型的能量消耗，同时在制定要运行的模型的决定时。其次，由于其他共同居民工作负载，评估不考虑设备上的争用的实际情况。在这项工作中，我们提出了一种高效和自适应的视频对象检测系统，这是联合优化的精度，能量效率和延迟。底层Virtuoso是一个多分支执行内核，它能够在精度 - 能量 - 延迟轴上的不同运行点处运行，以及轻量级运行时调度程序，以选择最佳的执行分支以满足用户要求。要与Virtuoso相当比较，我们基准于15件最先进的或广泛使用的协议，包括更快的R-CNN（FRCNN），YOLO V3，SSD，培训台，SELSA，MEGA，REPP，FastAdapt和我们的内部FRCNN +，YOLO +，SSD +和高效+（我们的变体具有增强的手机效率）的自适应变体。通过这种全面的基准，Virtuoso对所有上述协议显示出优势，在NVIDIA Jetson Mobile GPU上的每一项效率水平上引领精度边界。具体而言，Virtuoso的准确性为63.9％，比一些流行的物体检测模型高于10％，51.1％，yolo为49.5％。

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。