Graph convolutional neural networks (GCNs) have emerged as a key technology in various application domains where the input data is relational. A unique property of GCNs is that its two primary execution stages, aggregation and combination, exhibit drastically different dataflows. Consequently, prior GCN accelerators tackle this research space by casting the aggregation and combination stages as a series of sparse-dense matrix multiplication. However, prior work frequently suffers from inefficient data movements, leaving significant performance left on the table. We present GROW, a GCN accelerator based on Gustavson's algorithm to architect a row-wise product based sparse-dense GEMM accelerator. GROW co-designs the software/hardware that strikes a balance in locality and parallelism for GCNs, achieving significant energy-efficiency improvements vs. state-of-the-art GCN accelerators.

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。

图表卷积网络（GCNS）已成为最先进的图形学习模型。但是，它可以令人难以置于大图数据集的推断GCNS，这会将其应用于大型实际图表并阻碍更深层更复杂的GCN图形的探讨。这是因为真实世界图可能非常大而稀疏。此外，GCN的节点度倾向于遵循幂律分布，因此具有高度不规则的邻接矩阵，导致数据处理和移动中的禁止低效率，从而显着地限制了可实现的GCN加速效率。为此，本文提出了一种GCN算法和加速器协同设计框架被称为GCOD，其在很大程度上可以缓解上述GCN不规则性并提高GCNS推理效率。具体地，在算法级别上，GCOD集成了分割和征服GCN训练策略，该训练策略将图形偏离在本地邻域中的密集或稀疏，而不会影响模型精度，从而导致（主要）的图形邻接矩阵仅仅是两个级别的工作量并享受大部分增强的规律性，从而轻松加速。在硬件水平上，我们进一步开发了一个具有分离发动机的专用双子加速器，以处理每个上述密集和稀疏工作负载，进一步提高整体利用率和加速效率。广泛的实验和消融研究验证了我们的GCOD始终如一地减少了与CPU，GPU和现有技术GCN加速器相比的15286倍，294倍，7.8倍和2.5倍的加速，包括HYGCN和AWB -GCN分别在保持甚至提高任务准确性的同时。

图形神经网络（GNN）由于其独特的能力扩展了机器学习（ML）方法，因此引起了极大的关注，该应用程序广泛定义为具有非结构化数据，尤其是图形。与其他机器学习（ML）方式相比，由于源自图类型的不规则性和异质性，图形神经网络（GNN）的加速度更具挑战性。但是，现有的努力主要集中在处理图形的不规则性上，并且没有研究其异质性。为此，我们提出了H-GCN，PL（可编程逻辑）和AIE（AI引擎）的混合加速器，以利用Xilinx Versal自适应计算加速度平台（ACAPS）的新兴异质性（ACAPS）来实现高表现GNN的确定。特别是，H-GCN根据其固有的异质性将每个图分为三个子图，并分别使用PL和AIE处理它们。为了进一步提高性能，我们探索了AIE的稀疏支持，并开发了一种有效的密度感知方法，以自动将稀疏矩阵矩阵乘法（SPMM）的瓷砖自动映射到收缩张量数阵列上。与最先进的GCN加速器相比，H-GCN平均达到1.1〜2.3倍的速度。

图表卷积网络（GCNS）已经引入有效地处理非欧几里德图数据。但是，GCNS在计算和内存访问中产生了大量的不规则性，这可以防止有效地利用传统的神经网络加速器。此外，现有的专用GCN加速器需要高内存卷，并且难以实现到资源有限的边缘设备上。在这项工作中，我们提出了LW-GCN，一种基于轻量级的FPGA的加速器，具有软件 - 硬件共同设计的过程，可以在GCN推理中解决计算和存储器访问中的不规则性。 LW-GCN将主GCN操作分解为稀疏密集的矩阵乘法（SDMM）和致密矩阵乘法（DMM）。我们提出了一种新颖的压缩格式来平衡PE的工作量并防止数据危险。此外，我们应用数据量化和工作负载折叠，并将GCN推理的SDMM和DMM映射到资源有限硬件上的统一架构上。 GCN和Graphsage的评估在Xilinx Kintex-7 FPGA中进行了三个流行的数据集。与现有CPU，GPU和最先进的FPGA的加速器相比，LW-GCN可将延迟缩短高达60倍，12倍，1.7倍，并分别将功率效率提高至912倍。，511x和3.87倍。此外，与NVIDIA最新的GPU Jetson Xavier NX相比，LW-GCN分别实现了32倍和84倍的加速和节能。

虽然有很多关于图像深度学习的硬件加速研究，但在加速涉及图形的深度学习应用时，有一个相当有利的专注。图的独特特性，例如不规则的内存访问和动态并行性，当算法映射到CPU或GPU时，施加有几个挑战。为了在利用所有可用的稀疏性的同时解决这些挑战，我们提出了一种灵活的架构，称为SPA-GCN，用于加速图形卷积网络（GCN），在图中的深度学习算法中的核心计算单元。该架构专门用于处理许多小图形，因为图表尺寸对设计考虑产生了重大影响。在这种情况下，我们使用SIMGNN是一种基于神经网络的图形匹配算法，作为展示我们架构的有效性的案例研究。实验结果表明，与多核CPU实施和GPU实施相比，SPA-GCN可以提供高速度，显示设计效率。

最近，作为基于图形机器学习的骨干的图形神经网络（GNN）展示了各个域（例如，电子商务）的巨大成功。然而，由于基于高稀疏和不规则的图形操作，GNN的性能通常不令人满意。为此，我们提出，TC-GNN，基于GNN加速框架的第一个GPU张量核心单元（TCU）。核心思想是将“稀疏”GNN计算与“密集”TCU进行调和。具体地，我们对主流GNN计算框架中的稀疏操作进行了深入的分析。我们介绍了一种新颖的稀疏图翻译技术，便于TCU处理稀疏GNN工作量。我们还实现了一个有效的CUDA核心和TCU协作设计，以充分利用GPU资源。我们将TC-GNN与Pytorch框架完全集成，以便于编程。严格的实验在各种GNN型号和数据集设置的最先进的深图库框架上平均显示了1.70倍的加速。

最近，图形卷积网络（GCNS）已成为用于分析非欧几里德图数据的最先进的算法。然而，实现有效的GCN训练，特别是在大图中挑战。原因是许多折叠的原因：1）GCN训练引发了大量的内存占用。大图中的全批量培训甚至需要数百到数千千兆字节的内存，以缓冲中间数据进行反向传播。 2）GCN培训涉及内存密集型数据减少和计算密集型功能/渐变更新操作。这种异构性质挑战当前的CPU / GPU平台。 3）图形的不规则性和复杂的训练数据流共同增加了提高GCN培训系统效率的难度。本文提出了一种混合架构来解决这些挑战的混合架构。具体地，GCNEAR采用基于DIMM的存储系统，提供易于级别的存储器容量。为了匹配异构性质，我们将GCN培训操作分类为内存密集型减少和计算密集型更新操作。然后，我们卸载将操作减少到DIMM NMES，充分利用高聚合的本地带宽。我们采用具有足够计算能力的CAE来处理更新操作。我们进一步提出了几种优化策略来处理GCN任务的不规则，提高GCNEAR的表现。我们还提出了一种多GCNEAR系统来评估GCNEAR的可扩展性。

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。

Dynamic Graph Neural Networks (DGNNs) have been broadly applied in various real-life applications, such as link prediction and pandemic forecast, to capture both static structural information and temporal characteristics from dynamic graphs. Combining both time-dependent and -independent components, DGNNs manifest substantial parallel computation and data reuse potentials, but suffer from severe memory access inefficiency and data transfer overhead under the canonical one-graph-at-a-time training pattern. To tackle the challenges, we propose PiPAD, a $\underline{\textbf{Pi}}pelined$ and $\underline{\textbf{PA}}rallel$ $\underline{\textbf{D}}GNN$ training framework for the end-to-end performance optimization on GPUs. From both the algorithm and runtime level, PiPAD holistically reconstructs the overall training paradigm from the data organization to computation manner. Capable of processing multiple graph snapshots in parallel, PiPAD eliminates the unnecessary data transmission and alleviates memory access inefficiency to improve the overall performance. Our evaluation across various datasets shows PiPAD achieves $1.22\times$-$9.57\times$ speedup over the state-of-the-art DGNN frameworks on three representative models.

最近，Graph神经网络（GNNS）已成为聚光灯作为强大的工具，可以有效地在图形结构化数据上执行各种推理任务。随着现实图表的大小继续扩展，GNN训练系统面临可扩展性挑战。分布式培训是一种流行的方法，可以通过扩展CPU节点来应对这一挑战。但是，对基于磁盘的GNN培训的关注不多，该培训可以通过利用NVME SSD等高性能存储设备来以更具成本效益的方式扩展单节点系统。我们观察到，主内存和磁盘之间的数据移动是基于SSD的训练系统中的主要瓶颈，并且常规的GNN训练管道是不错的选择，而无需考虑此开销。因此，我们提出了Ginex，这是第一个基于SSD的GNN训练系统，可以在单台计算机上处​​理数十亿个图形数据集。受到编译器优化的检查员执行模型的启发，Ginex通过分开样品和收集阶段来重组GNN训练管道。这种分离使Ginex能够实现一种可证明的最佳替换算法，即被称为Belady的算法，用于存储器中的Caching特征向量，该算法是I/O访问的主要部分。根据我们对40亿尺度图数据集的评估，Ginex平均比SSD扩展的Pytorch几何得出了2.11倍的训练吞吐量（最大最高2.67倍）。

这项工作提出了专门针对粒子探测器的低潜伏期图神经网络（GNN）设计的新型可重构体系结构。加速粒子探测器的GNN是具有挑战性的，因为它需要次微秒延迟才能在CERN大型强子撞机实验的级别1触发器中部署网络以进行在线事件选择。本文提出了一种自定义代码转换，并在基于互动网络的GNN中使用完全连接的图表中的矩阵乘法操作降低了强度，从而避免了昂贵的乘法。它利用了稀疏模式以及二进制邻接矩阵，并避免了不规则的内存访问，从而降低了延迟和硬件效率的提高。此外，我们引入了一种基于外部产品的基质乘法方法，该方法通过降低潜伏期设计的强度降低来增强。此外，引入了融合步骤，以进一步降低设计延迟。此外，提出了GNN特异性算法 - 硬件共同设计方法，该方法不仅找到了具有更好延迟的设计，而且在给定的延迟约束下发现了高精度的设计。最后，已经设计和开源了此低延迟GNN硬件体系结构的可自定义模板，该模板可以使用高级合成工具来生成低延迟的FPGA设计，并有效地利用资源。评估结果表明，我们的FPGA实施速度高24倍，并且消耗的功率比GPU实施少45倍。与我们以前的FPGA实施相比，这项工作的延迟降低了6.51至16.7倍。此外，我们的FPGA设计的延迟足以使GNN在亚微秒，实时撞机触发器系统中部署，从而使其能够从提高的精度中受益。

State-of-the-art deep neural networks (DNNs) have hundreds of millions of connections and are both computationally and memory intensive, making them difficult to deploy on embedded systems with limited hardware resources and power budgets. While custom hardware helps the computation, fetching weights from DRAM is two orders of magnitude more expensive than ALU operations, and dominates the required power.Previously proposed 'Deep Compression' makes it possible to fit large DNNs (AlexNet and VGGNet) fully in on-chip SRAM. This compression is achieved by pruning the redundant connections and having multiple connections share the same weight. We propose an energy efficient inference engine (EIE) that performs inference on this compressed network model and accelerates the resulting sparse matrix-vector multiplication with weight sharing. Going from DRAM to SRAM gives EIE 120× energy saving; Exploiting sparsity saves 10×; Weight sharing gives 8×; Skipping zero activations from ReLU saves another 3×. Evaluated on nine DNN benchmarks, EIE is 189× and 13× faster when compared to CPU and GPU implementations of the same DNN without compression. EIE has a processing power of 102 GOPS/s working directly on a compressed network, corresponding to 3 TOPS/s on an uncompressed network, and processes FC layers of AlexNet at 1.88×10 4 frames/sec with a power dissipation of only 600mW. It is 24,000× and 3,400× more energy efficient than a CPU and GPU respectively. Compared with DaDianNao, EIE has 2.9×, 19× and 3× better throughput, energy efficiency and area efficiency.

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。

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。

稀疏卷积神经网络（CNNS）在过去几年中获得了显着的牵引力，因为与其致密的对应物相比，稀疏的CNNS可以大大降低模型尺寸和计算。稀疏的CNN经常引入层形状和尺寸的变化，这可以防止密集的加速器在稀疏的CNN模型上执行良好。最近提出的稀疏加速器，如SCNN，Eyeriss V2和Sparten，积极利用双面或全稀稀物质，即重量和激活的稀疏性，用于性能收益。然而，这些加速器具有低效的微架构，其限制了它们的性能，而不对非单位步幅卷积和完全连接（Fc）层的支持，或者遭受系统负荷不平衡的大规模遭受。为了规避这些问题并支持稀疏和密集的模型，我们提出了幻影，多线程，动态和灵活的神经计算核心。 Phantom使用稀疏二进制掩码表示，以主动寻求稀疏计算，并动态调度其计算线程以最大化线程利用率和吞吐量。我们还生成了幻象神经计算核心的二维（2D）网格体系结构，我们将其称为Phantom-2D加速器，并提出了一种支持CNN的所有层的新型数据流，包括单位和非单位步幅卷积，和fc层。此外，Phantom-2D使用双级负载平衡策略来最小化计算空闲，从而进一步提高硬件利用率。为了向不同类型的图层显示支持，我们评估VGG16和MobileNet上的幻影架构的性能。我们的模拟表明，Phantom-2D加速器分别达到了12倍，4.1 X，1.98x和2.36倍，超密架构，SCNN，Sparten和Eyeriss V2的性能增益。

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）。

Graph neural networks (GNNs) have been demonstrated to be a powerful algorithmic model in broad application fields for their effectiveness in learning over graphs. To scale GNN training up for large-scale and ever-growing graphs, the most promising solution is distributed training which distributes the workload of training across multiple computing nodes. However, the workflows, computational patterns, communication patterns, and optimization techniques of distributed GNN training remain preliminarily understood. In this paper, we provide a comprehensive survey of distributed GNN training by investigating various optimization techniques used in distributed GNN training. First, distributed GNN training is classified into several categories according to their workflows. In addition, their computational patterns and communication patterns, as well as the optimization techniques proposed by recent work are introduced. Second, the software frameworks and hardware platforms of distributed GNN training are also introduced for a deeper understanding. Third, distributed GNN training is compared with distributed training of deep neural networks, emphasizing the uniqueness of distributed GNN training. Finally, interesting issues and opportunities in this field are discussed.

Graph Convolutional Networks (GCNs) are extensively utilized for deep learning on graphs. The large data sizes of graphs and their vertex features make scalable training algorithms and distributed memory systems necessary. Since the convolution operation on graphs induces irregular memory access patterns, designing a memory- and communication-efficient parallel algorithm for GCN training poses unique challenges. We propose a highly parallel training algorithm that scales to large processor counts. In our solution, the large adjacency and vertex-feature matrices are partitioned among processors. We exploit the vertex-partitioning of the graph to use non-blocking point-to-point communication operations between processors for better scalability. To further minimize the parallelization overheads, we introduce a sparse matrix partitioning scheme based on a hypergraph partitioning model for full-batch training. We also propose a novel stochastic hypergraph model to encode the expected communication volume in mini-batch training. We show the merits of the hypergraph model, previously unexplored for GCN training, over the standard graph partitioning model which does not accurately encode the communication costs. Experiments performed on real-world graph datasets demonstrate that the proposed algorithms achieve considerable speedups over alternative solutions. The optimizations achieved on communication costs become even more pronounced at high scalability with many processors. The performance benefits are preserved in deeper GCNs having more layers as well as on billion-scale graphs.

图形神经网络（GNN）的输入图的大小不断增加，突显了使用多GPU平台的需求。但是，由于计算不平衡和效率较低的通信，现有的多GPU GNN解决方案遭受了劣质性能。为此，我们提出了MGG，这是一种新型的系统设计，可以通过以GPU为中心的软件管道在多GPU平台上加速GNN。 MGG探讨了通过细粒度计算通信管道中隐藏GNN工作负载中远程内存访问延迟的潜力。具体而言，MGG引入了管​​道感知工作负载管理策略和混合数据布局设计，以促进通信局限性重叠。 MGG实现以优化的管道为中心的内核。它包括工作负载交织和基于经经的映射，以进行有效的GPU内核操作管道和专门的内存设计以及优化，以更好地数据访问性能。此外，MGG还结合了轻巧的分析建模和优化启发式方法，以动态提高运行时不同设置的GNN执行性能。全面的实验表明，MGG在各种GNN设置上的最先进的多GPU系统要比最先进的多GPU系统：平均比具有统一虚拟内存设计的多GPU系统快3.65倍，平均比DGCL框架快7.38倍。