注意机制为各种任务形成最先进的机器学习模型的骨干。然而，在深神经网络（DNN）加速器上部署它们，特别是在长序列下挑战，因为这项工作识别。这是由于展示层数的运营商，在记忆占地面积中表现出有限的再利用机会和二次生长，导致严重的记忆界限。为了解决这个问题，我们介绍了一个新的注意力定制数据流，被称为扁平，它识别注意层内的融合机会，并实现片上内存感知交错执行和平铺机制。通过有效利用高带宽，低容量的片上缓冲器，平坦增加了有效的内存带宽，从而实现了更好的运行时间和计算资源利用率。在我们的评估中，扁平达到1.94倍和1.76倍的加速度和49％和42％的能量减少与最先进的边缘和云加速器的基线执行相比。

过去的几年见证了基于变压器的模型的成功，其规模和应用方案继续积极发展。变压器模型的当前景观越来越多样化：该模型大小差异很大，最大的参数是最大的。模型特性由于特征的混合物所引入的稀疏性而有所不同。目标应用程序方案可以是关键延迟或面向吞吐量的情况；部署硬件可以是具有不同类型的内存和存储等单身或多GPU系统。随着多样性的增加和变压器模型的快速发展速度，设计高性能和高效的推理系统非常具有挑战性。在本文中，我们提出了DeepSpeed推断，这是用于解决上述挑战的变压器模型推理的全面系统解决方案。深速推理包括（1）一种多GPU推理解决方案，可最大程度地减少潜伏度，同时最大化密集和稀疏变压器模型的吞吐量，当它们适合聚集的GPU内存时，以及（2）一种异质推理解决方案，该解决方案利用CPU和NVME内存中的CPU和NVME内存。除了GPU内存和计算以使高推理吞吐量具有不适合聚集GPU内存的大型推理吞吐量。对于面向延迟的方案，深速推理可将延迟降低到最新的7倍，而对于面向吞吐量的方案，延迟的潜伏期将延迟减少到1.5倍以上。此外，它通过利用数百个GPU来实现实时延迟约束下的参数量表推断，这是一个前所未有的推理。它可以比仅使用GPU的解决方案更大的25倍模型，同时提供84个TFLOPS（超过50美元的A6000峰值）。

深度神经网络（DNN）已成为移动设备上许多主要应用的核心推动因素。为实现高精度，DNN模型越来越深，数百甚至数千个操作层，导致高记忆和推理的计算要求。操作员融合（或内核/层融合）是许多最先进的DNN执行框架中的关键优化，例如Tensorflow，TVM和MNN。然而，这些框架通常根据某些模式采用融合方法，这些模式过于限制，以涵盖运营商和层连接的多样性。另一方面，基于多面体的循环融合技术，在没有运营商级信息的情况下对计算的低级视图工作，并且也可能错过潜在的融合机会。为了解决这一挑战，本文提出了一种名为DNNFusion的新颖和广泛的环路融合框架。这项工作的基本思想是在DNN的操作员视图下工作，但通过开发个人运营商及其组合的分类来扩展融合机会。此外，DNNFusion包括1）基于新的基于数学 - 性能的图形重写框架，以降低评估成本，并促进后续操作员融合，2）一种集成的融合计划，利用高级分析和精确的轻量级分析，以及3 ）融合代码生成期间的附加优化。在15个DNN模型中广泛评估DNNFusion，具有各种任务，模型尺寸和图层计数。评估结果表明，DNNFusion最高达到8.8倍的融合机会，优于具有9.3倍的最先进的DNN执行框架。记忆要求减少和加速可以在移动设备上执行许多目标模型，甚至可以使它们成为实时应用程序的一部分。

作为其核心计算，一种自我发挥的机制可以在整个输入序列上分配成对相关性。尽管表现良好，但计算成对相关性的成本高昂。尽管最近的工作表明了注意力分数低的元素的运行时间修剪的好处，但自我发挥机制的二次复杂性及其芯片内存能力的需求被忽略了。这项工作通过构建一个称为Sprint的加速器来解决这些约束，该加速器利用RERAM横杆阵列的固有并行性以近似方式计算注意力分数。我们的设计使用RERAM内的轻质模拟阈值电路来降低注意力评分，从而使Sprint只能获取一小部分相关数据到芯片内存。为了减轻模型准确性的潜在负面影响，Sprint重新计算数字中少数获取数据的注意力评分。相关注意分数的组合内修剪和片上重新计算可以将Sprint转化为仅线性的二次复杂性。此外，我们即使修剪后，我们也可以识别并利用相邻的注意操作之间的动态空间位置，从而消除了昂贵但冗余的数据获取。我们在各种最新的变压器模型上评估了我们提出的技术。平均而言，当使用总16KB芯片内存时，Sprint会产生7.5倍的速度和19.6倍的能量，而实际上与基线模型的等值级相当（平均为0.36％的降级）。

基于注意力的神经网络在许多AI任务中都普遍存在。尽管其出色的算法性能，但注意力机制和前馈网络（FFN）的使用仍需要过多的计算和内存资源，这通常会损害其硬件性能。尽管已经引入了各种稀疏变体，但大多数方法仅着重于缓解算法级别上的二次注意力缩放，而无需明确考虑将其方法映射到真实硬件设计上的效率。此外，大多数努力仅专注于注意机制或FFN，但没有共同优化这两个部分，导致当前的大多数设计在处理不同的输入长度时缺乏可扩展性。本文从硬件角度系统地考虑了不同变体中的稀疏模式。在算法级别上，我们提出了Fabnet，这是一种适合硬件的变体，它采用统一的蝴蝶稀疏模式来近似关注机制和FFN。在硬件级别上，提出了一种新颖的适应性蝴蝶加速器，可以在运行时通过专用硬件控件配置，以使用单个统一的硬件引擎加速不同的蝴蝶层。在远程 - ARENA数据集上，FabNet达到了与香草变压器相同的精度，同时将计算量减少10到66次，参数数量为2至22次。通过共同优化算法和硬件，我们的基于FPGA的蝴蝶加速器在归一化到同一计算预算的最新加速器上达到了14.2至23.2倍的速度。与Raspberry Pi 4和Jetson Nano上优化的CPU和GPU设计相比，我们的系统在相同的功率预算下的最大273.8和15.1倍。

变形金刚是今天最重要的机器学习工作负载之一。培训是一个非常计算密集的任务，通常需要几天或几周，并且对优化变压器进行了重大关注。尽管如此，现有的实现不会有效地利用GPU。我们发现数据移动是培训时的关键瓶颈。由于Amdahl的法律和大规模改进的计算性能，培训现已成为记忆束缚。此外，现有框架使用次优数据布局。使用这些洞察力，我们提供了一个用于全局优化变压器数据移动的配方。我们将数据移动降低到22.91％，总体上实现了在训练伯特编码器层和1.19x的整个伯特的最先进框架上的1.30倍的性能改进。我们的方法更广泛地适用于优化深神经网络，并深入了解如何解决新兴的性能瓶颈。

在过去十年中，已经开发出新的深度学习（DL）算法，工作负载和硬件来解决各种问题。尽管工作量和硬件生态系统的进步，DL系统的编程方法是停滞不前的。 DL工作负载从DL库中的高度优化，特定于平台和不灵活的内核，或者在新颖的操作员的情况下，通过具有强大性能的DL框架基元建立参考实现。这项工作介绍了Tensor加工基元（TPP），一个编程抽象，用于高效的DL工作负载的高效，便携式实现。 TPPS定义了一组紧凑而多才多艺的2D张镜操作员（或虚拟张量ISA），随后可以用作构建块，以在高维张量上构建复杂的运算符。 TPP规范是平台 - 不可行的，因此通过TPPS表示的代码是便携式的，而TPP实现是高度优化的，并且特定于平台。我们展示了我们使用独立内核和端到端DL＆HPC工作负载完全通过TPPS表达的方法的效力和生存性，这在多个平台上优于最先进的实现。

利用稀疏性是加速在移动设备上的量化卷积神经网络（CNN）推断的关键技术。现有稀疏的CNN加速器主要利用无结构性稀疏性并实现显着的加速。然而，由于无界，很大程度上不可预测的稀疏模式，利用非结构化稀疏性需要复杂的硬件设计，具有显着的能量和面积开销，这对能量和区域效率至关重要的移动/ IOT推理场景特别有害。我们建议利用结构化的稀疏性，更具体地，更密集地绑定块（DBB）稀疏性，用于重量和激活。 DBB块张于每个块的最大非零数。因此，DBB暴露静态可预测的稀疏模式，使瘦稀疏性利用硬件能够。我们提出了新的硬件基元，以分别为（静态）权重和（动态）激活的DBB稀疏性，具有非常低的开销。建立在基元的顶部，我们描述了一种基于收缩阵列的CNN加速器的S2TA，可利用联合重量和激活DBB稀疏性和传统的收缩系统阵列上不可用的数据重用的新维度。与具有零值时钟门控的完全阵列的强基线相比，16NM中的S2TA达到超过2倍的加速和能量减少，超过五个流行的CNN基准。与近期的非收缩稀疏加速器相比，Eyeriss V2（65nm）和Sparten（45nm），S2TA在65nm中使用约2.2倍和3.1倍的每次推断的能量较少。

变压器被认为是自2018年以来最重要的深度学习模型之一，部分原因是它建立了最先进的记录（SOTA）记录，并有可能取代现有的深神经网络（DNNS）。尽管取得了显着的胜利，但变压器模型的延长周转时间是公认的障碍。序列长度的多样性施加了其他计算开销，其中需要将输入零填充到批处理中的最大句子长度，以容纳并行计算平台。本文针对现场可编程的门阵列（FPGA），并提出了一个连贯的序列长度自适应算法 - 硬件与变压器加速度的共同设计。特别是，我们开发了一个适合硬件的稀疏注意操作员和长度意识的硬件资源调度算法。提出的稀疏注意操作员将基于注意力的模型的复杂性降低到线性复杂性，并减轻片外记忆流量。提出的长度感知资源硬件调度算法动态分配了硬件资源以填充管道插槽并消除了NLP任务的气泡。实验表明，与CPU和GPU实施相比，我们的设计准确度损失很小，并且具有80.2 $ \ times $和2.6 $ \ times $速度，并且比先进的GPU加速器高4 $ \ times $ $ $ \ times $通过Cublas Gemm优化。

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.

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。

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。

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。

机器学习（ML）的广泛部署正在引起严重的关注，以保护为收集培训数据做出贡献的用户的隐私。差异隐私（DP）作为保护保护的实用标准，在行业中迅速获得势头。尽管DP的重要性，但是在计算机系统社区中，几乎没有探索这种新兴ML算法对系统设计的影响。在这项工作中，我们对名为DP-SGD的最先进的私人ML培训算法进行了详细的工作量表征。我们发现了DP-SGD的几种独特属性（例如，其高内存能力和计算需求与非私人ML），从而引起其关键瓶颈。基于我们的分析，我们提出了一个名为Diva的差异私有ML的加速器，该加速器在计算利用率方面具有显着改善，从而导致2.6倍的能量效率与常规收缩期阵列。

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。

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。

Vision Transformer (ViT) has emerged as a competitive alternative to convolutional neural networks for various computer vision applications. Specifically, ViT multi-head attention layers make it possible to embed information globally across the overall image. Nevertheless, computing and storing such attention matrices incurs a quadratic cost dependency on the number of patches, limiting its achievable efficiency and scalability and prohibiting more extensive real-world ViT applications on resource-constrained devices. Sparse attention has been shown to be a promising direction for improving hardware acceleration efficiency for NLP models. However, a systematic counterpart approach is still missing for accelerating ViT models. To close the above gap, we propose a first-of-its-kind algorithm-hardware codesigned framework, dubbed ViTALiTy, for boosting the inference efficiency of ViTs. Unlike sparsity-based Transformer accelerators for NLP, ViTALiTy unifies both low-rank and sparse components of the attention in ViTs. At the algorithm level, we approximate the dot-product softmax operation via first-order Taylor attention with row-mean centering as the low-rank component to linearize the cost of attention blocks and further boost the accuracy by incorporating a sparsity-based regularization. At the hardware level, we develop a dedicated accelerator to better leverage the resulting workload and pipeline from ViTALiTy's linear Taylor attention which requires the execution of only the low-rank component, to further boost the hardware efficiency. Extensive experiments and ablation studies validate that ViTALiTy offers boosted end-to-end efficiency (e.g., $3\times$ faster and $3\times$ energy-efficient) under comparable accuracy, with respect to the state-of-the-art solution.

与变压器架构相关的自我监督学习的最新进展使自然语言处理（NLP）表现出极低的困惑。如此强大的模型需要越来越多的模型大小，因此需要大量的计算和内存足迹。在本文中，我们为大规模生成语言模型提出了一个有效的推理框架。作为减少模型大小的关键，我们通过不均匀的量化方法量化权重。然后，我们提出的称为NUQMM的量化矩阵乘法加速了，该内核可以在压缩比和准确性之间进行广泛的权衡。我们提出的NUQMM不仅减少了每个GPU的延迟，还减少了大LMS的全部推断，因为高压缩比（通过低位量化）减轻了最小所需的GPU数量。我们证明NUQMM可以将GPT-3（175b）模型的推理速度加速约14.4倍，并将能源消耗降低93％。

近年来，已经提出了许多加速器来有效处理稀疏张量代数应用（例如稀疏的神经网络）。但是，这些建议是大而多样化的设计空间中的单个点。缺乏对这些稀疏张量加速器的系统描述和建模支持阻碍了硬件设计人员无法高效，有效的设计空间探索。本文首先提出了统一的分类法，以系统地描述各种稀疏张量加速器的设计空间。基于提议的分类法，它引入了Sparseloop，这是第一个快速，准确，灵活的分析建模框架，以实现稀疏张量加速器的早期评估和探索。 Sparseloop理解了一系列体系结构规格，包括各种数据流和稀疏加速功能（例如，消除基于零的计算）。使用这些规格，Sparseloop评估了设计的加工速度和能源效率，同时考虑了使用的数据流以及使用随机张量密度模型的稀疏加速度功能引入的数据移动和计算。在代表性的加速器和工作负载中，Sparseloop的建模速度比周期级模拟快2000倍，保持相对性能趋势，并达到0.1％至8％的平均误差。通过案例研究，我们证明了Sparseloop有助于揭示设计稀疏张量加速器的重要见解的能力（例如，共同设计正交设计方面很重要）。

We study the problem of efficient generative inference for Transformer models, in one of its most challenging settings: large deep models, with tight latency targets and long sequence lengths. Better understanding of the engineering tradeoffs for inference for large Transformer-based models is important as use cases of these models are growing rapidly throughout application areas. We develop a simple analytical model for inference efficiency to select the best multi-dimensional partitioning techniques optimized for TPU v4 slices based on the application requirements. We combine these with a suite of low-level optimizations to achieve a new Pareto frontier on the latency and model FLOPS utilization (MFU) tradeoffs on 500B+ parameter models that outperforms the FasterTransformer suite of benchmarks. We further show that with appropriate partitioning, the lower memory requirements of multiquery attention (i.e. multiple query heads share single key/value head) enables scaling up to 32x larger context lengths. Finally, we achieve a low-batch-size latency of 29ms per token during generation (using int8 weight quantization) and a 76% MFU during large-batch-size processing of input tokens, while supporting a long 2048-token context length on the PaLM 540B parameter model.