人工神经网络的扩展不断增加，在超功率边缘设备上不会停止。但是，这些通常具有很高的计算需求，并且需要专门的硬件加速器，以确保设计达到功率和性能限制。神经网络的手动优化以及相应的硬件加速器可能非常具有挑战性。本文介绍了Hannah（硬件加速器和神经网络搜索），该框架是针对深神经网络和硬件加速器的自动化和组合的硬件/软件共同设计，用于资源和功率受限的边缘设备。优化方法使用基于进化的搜索算法，一种神经网络模板技术以及可配置的Ultratrail硬件加速器模板的分析KPI模型，以找到优化的神经网络和加速器配置。我们证明，汉娜（Hannah）可以找到适合不同音频分类任务的功耗和高精度的合适神经网络，例如单级唤醒单词检测，多级关键字检测和语音活动检测，这些操作优于相关工作。

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。

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.

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。

Recently, automated co-design of machine learning (ML) models and accelerator architectures has attracted significant attention from both the industry and academia. However, most co-design frameworks either explore a limited search space or employ suboptimal exploration techniques for simultaneous design decision investigations of the ML model and the accelerator. Furthermore, training the ML model and simulating the accelerator performance is computationally expensive. To address these limitations, this work proposes a novel neural architecture and hardware accelerator co-design framework, called CODEBench. It is composed of two new benchmarking sub-frameworks, CNNBench and AccelBench, which explore expanded design spaces of convolutional neural networks (CNNs) and CNN accelerators. CNNBench leverages an advanced search technique, BOSHNAS, to efficiently train a neural heteroscedastic surrogate model to converge to an optimal CNN architecture by employing second-order gradients. AccelBench performs cycle-accurate simulations for a diverse set of accelerator architectures in a vast design space. With the proposed co-design method, called BOSHCODE, our best CNN-accelerator pair achieves 1.4% higher accuracy on the CIFAR-10 dataset compared to the state-of-the-art pair, while enabling 59.1% lower latency and 60.8% lower energy consumption. On the ImageNet dataset, it achieves 3.7% higher Top1 accuracy at 43.8% lower latency and 11.2% lower energy consumption. CODEBench outperforms the state-of-the-art framework, i.e., Auto-NBA, by achieving 1.5% higher accuracy and 34.7x higher throughput, while enabling 11.0x lower energy-delay product (EDP) and 4.0x lower chip area on CIFAR-10.

在过去的二十年中，癫痫发作检测和预测算法迅速发展。然而，尽管性能得到了重大改进，但它们使用常规技术（例如互补的金属氧化物 - 轴导剂（CMO））进行的硬件实施，在权力和面积受限的设置中仍然是一项艰巨的任务；特别是当使用许多录音频道时。在本文中，我们提出了一种新型的低延迟平行卷积神经网络（CNN）体系结构，与SOTA CNN体系结构相比，网络参数少2-2,800倍，并且达到5倍的交叉验证精度为99.84％，用于癫痫发作检测，检测到99.84％。癫痫发作预测的99.01％和97.54％分别使用波恩大学脑电图（EEG），CHB-MIT和SWEC-ETHZ癫痫发作数据集进行评估。随后，我们将网络实施到包含电阻随机存储器（RRAM）设备的模拟横梁阵列上，并通过模拟，布置和确定系统中CNN组件的硬件要求来提供全面的基准。据我们所知，我们是第一个平行于在单独的模拟横杆上执行卷积层内核的人，与SOTA混合Memristive-CMOS DL加速器相比，潜伏期降低了2个数量级。此外，我们研究了非理想性对系统的影响，并研究了量化意识培训（QAT），以减轻由于ADC/DAC分辨率较低而导致的性能降解。最后，我们提出了一种卡住的重量抵消方法，以减轻因卡住的Ron/Roff Memristor重量而导致的性能降解，而无需再进行重新培训而恢复了高达32％的精度。我们平台的CNN组件估计在22nm FDSOI CMOS流程中占据31.255mm $^2 $的面积约为2.791W。

随着机器学习和系统社区努力通过自定义深度神经网络（DNN）加速器，多样的精度或量化水平以及模型压缩技术来实现更高的能源效率，因此需要设计空间探索框架，以结合量化意识的处理。在具有准确和快速的功率，性能和区域模型的同时，进入加速器设计空间。在这项工作中，我们提出了Quidam，这是一种高度参数化的量化量化DNN加速器和模型共探索框架。我们的框架可以促进对DNN加速器设计空间探索的未来研究，以提供各种设计选择，例如位精度，处理元素类型，处理元素的刮擦大小，全局缓冲区大小，总处理元素的数量和DNN配置。我们的结果表明，不同的精确度和处理元素类型会导致每个区域和能量性能方面的显着差异。具体而言，我们的框架标识了广泛的设计点，其中每个面积和能量的性能分别差异超过5倍和35倍。通过拟议的框架，我们表明，与最佳基于INT16的实施相比，轻巧的处理元素可在准确性结果上实现，每个区域的性能和能源改善高达5.7倍。最后，由于预先特征的功率，性能和区域模型的效率，Quidam可以将设计勘探过程加快3-4个数量级，因为它消除了每种设计的昂贵合成和表征的需求。

在小型电池约束的物流设备上部署现代TinyML任务需要高计算能效。使用非易失性存储器（NVM）的模拟内存计算（IMC）承诺在深神经网络（DNN）推理中的主要效率提高，并用作DNN权重的片上存储器存储器。然而，在系统级别尚未完全理解IMC的功能灵活性限制及其对性能，能量和面积效率的影响。为了目标实际的端到端的IOT应用程序，IMC阵列必须括在异构可编程系统中，引入我们旨在解决这项工作的新系统级挑战。我们介绍了一个非均相紧密的聚类架构，整合了8个RISC-V核心，内存计算加速器（IMA）和数字加速器。我们在高度异构的工作负载上基准测试，例如来自MobileNetv2的瓶颈层，显示出11.5倍的性能和9.5倍的能效改进，而在核心上高度优化并行执行相比。此外，我们通过将我们的异构架构缩放到多阵列加速器，探讨了在IMC阵列资源方面对全移动级DNN（MobileNetv2）的端到端推断的要求。我们的结果表明，我们的解决方案在MobileNetv2的端到端推断上，在执行延迟方面比现有的可编程架构更好，比最先进的异构解决方案更好的数量级集成内存计算模拟核心。

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。

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。

编译器框架对于广泛使用基于FPGA的深度学习加速器来说是至关重要的。它们允许研究人员和开发人员不熟悉硬件工程，以利用域特定逻辑所获得的性能。存在传统人工神经网络的各种框架。然而，没有多大的研究努力已经进入创建针对尖刺神经网络（SNNS）进行优化的框架。这种新一代的神经网络对于在边缘设备上部署AI的越来越有趣，其具有紧密的功率和资源约束。我们的端到端框架E3NE为FPGA自动生成高效的SNN推理逻辑。基于Pytorch模型和用户参数，它应用各种优化，并评估基于峰值的加速器固有的权衡。多个水平的并行性和新出现的神经编码方案的使用导致优于先前的SNN硬件实现的效率。对于类似的型号，E3NE使用的硬件资源的少于50％，功率较低20％，同时通过幅度降低延迟。此外，可扩展性和通用性允许部署大规模的SNN模型AlexNet和VGG。

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。

关键字斑点（KWS）已成为许多智能设备的不可或缺的一部分，因为音频是与这些设备交互的最有效方法之一。 KWS解决方案的准确性和性能一直是研究人员的主要焦点，并且由于深入学习，在这个领域取得了实质性的进展。然而，随着KWS的使用传播到IOT设备中，除了性能之外，能量效率成为一个非常关键的要求。我们相信在硬件和神经网络（NN）模型架构中都会寻求功率优化的KWS解决方案在文献中的许多解决方案中是有利的，其中主要考虑了问题的架构方面。在这项工作中，我们通过考虑在MAX78000的部署端，超低功耗CNN加速器的端到端能效设计了优化的KWS CNN模型。通过组合的硬件和型号优化方法，我们实现了12个类的96.3 \％精度，同时仅消耗了每次推断的251 UJ。我们将结果与文献中的其他基于小型神经网络的KWS解决方案进行比较。此外，我们在功率优化的ARM Cortex-M4F中分享我们模型的能量消耗，以便为了清楚起见，描绘了所选硬件的有效性。

我们介绍了MLPERF小型推理基准（FPGA）平台上MLPERF微小的推理基准的最新结果。我们使用开源HLS4ML和Finn工作流，旨在使FPGA中优化神经网络的AI硬件代码民主化。我们介绍关键字发现，异常检测和图像分类基准任务的设计和实现过程。最终的硬件实现是针对速度和效率量身定制的，可配置的，可配置的空间数据流体系结构，并引入了新的通用优化和作为本工作的一部分开发的常见工作流程。完整的工作流程从量化感知培训到FPGA实施。该解决方案部署在芯片（PYNQ-Z2）和纯FPGA（ARTY A7-100T）平台上。由此产生的提交的潜伏期低至20 $ \ mu $ s和每次推论的低至30 $ \ mu $ j的能耗。我们展示了异质硬件平台上新兴的ML基准如何催化协作和开发新技术和更容易访问的工具。

关键字斑点（kWs）是一个重要的功能，使我们的周围环境中许多无处不在的智能设备进行交互，可以通过唤醒词或直接作为人机界面激活它们。对于许多应用程序，KWS是我们与设备交互的进入点，因此，始终是ON工作负载。许多智能设备都是移动的，并且它们的电池寿命受到持续运行的服务受到严重影响。因此，KWS和类似的始终如一的服务是在优化整体功耗时重点。这项工作解决了低成本微控制器单元（MCU）的KWS节能。我们将模拟二元特征提取与二元神经网络相结合。通过用拟议的模拟前端取代数字预处理，我们表明数据采集和预处理所需的能量可以减少29倍，将其份额从主导的85％的份额削减到仅为我们的整体能源消耗的16％参考KWS应用程序。语音命令数据集的实验评估显示，所提出的系统分别优于最先进的准确性和能效，在10级数据集中分别在10级数据集上达到1％和4.3倍，同时提供令人信服的精度 - 能源折衷包括71倍能量减少2％的精度下降。

Resistive Random-Access Memory (RRAM) is well-suited to accelerate neural network (NN) workloads as RRAM-based Processing-in-Memory (PIM) architectures natively support highly-parallel multiply-accumulate (MAC) operations that form the backbone of most NN workloads. Unfortunately, NN workloads such as transformers require support for non-MAC operations (e.g., softmax) that RRAM cannot provide natively. Consequently, state-of-the-art works either integrate additional digital logic circuits to support the non-MAC operations or offload the non-MAC operations to CPU/GPU, resulting in significant performance and energy efficiency overheads due to data movement. In this work, we propose NEON, a novel compiler optimization to enable the end-to-end execution of the NN workload in RRAM. The key idea of NEON is to transform each non-MAC operation into a lightweight yet highly-accurate neural network. Utilizing neural networks to approximate the non-MAC operations provides two advantages: 1) We can exploit the key strength of RRAM, i.e., highly-parallel MAC operation, to flexibly and efficiently execute non-MAC operations in memory. 2) We can simplify RRAM's microarchitecture by eliminating the additional digital logic circuits while reducing the data movement overheads. Acceleration of the non-MAC operations in memory enables NEON to achieve a 2.28x speedup compared to an idealized digital logic-based RRAM. We analyze the trade-offs associated with the transformation and demonstrate feasible use cases for NEON across different substrates.

深度神经网络（DNN）的算法 - 硬件共同设计的最新进展已经证明了它们在自动设计神经架构和硬件设计方面的潜力。然而，由于昂贵的培训成本和耗时的硬件实现，这仍然是一个充满挑战的优化问题，这使得对神经结构和硬件设计难以解答的巨大设计空间探索。在本文中，我们证明我们所提出的方法能够在帕累托前沿定位设计。这种功能由新颖的三相协同设计框架启用，具有以下新功能：（a）从硬件架构和神经结构的设计空间探索的DNN培训解耦，（b）提供硬件友好的神经结构空间通过考虑构造搜索单元的硬件特征，（c）采用高斯过程来预测准确性，延迟和功耗以避免耗时的合成和路由过程。与手动设计的Resnet101，Inceptionv2和MobileNetv2相比，我们可以在想象网数据集中获得高达3倍的准确度，高达5％的准确性。与其他最先进的共同设计框架相比，我们发现的网络和硬件配置可以达到更高的2％〜6％，精度为2倍〜26倍，延迟较高8.5倍。

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。

近年来，卷积神经网络（CNN）证明了它们在许多领域解决问题的能力，并且以前无法进行准确性。但是，这带有广泛的计算要求，这使得普通CPU无法提供所需的实时性能。同时，FPGA对加速CNN推断的兴趣激增。这是由于他们有能力创建具有不同级别的并行性的自定义设计。此外，与GPU相比，FPGA提供每瓦的性能更好。基于FPGA的CNN加速器的当前趋势是实现多个卷积层处理器（CLP），每个处理器都针对一层层量身定制。但是，CNN体系结构的日益增长的复杂性使得优化目标FPGA设备上可用的资源，以使最佳性能更具挑战性。在本文中，我们提出了CNN加速器和随附的自动设计方法，该方法采用元启发式学来分区可用的FPGA资源来设计多CLP加速器。具体而言，提出的设计工具采用模拟退火（SA）和禁忌搜索（TS）算法来查找所需的CLP数量及其各自的配置，以在给定的目标FPGA设备上实现最佳性能。在这里，重点是关键规格和硬件资源，包括数字信号处理器，阻止RAM和芯片内存储器带宽。提出了使用四个众所周知的基准CNN的实验结果和比较，表明所提出的加速框架既令人鼓舞又有前途。基于SA-/TS的多CLP比在加速Alexnet，Squeezenet 1.1，VGGNET和Googlenet架构上的最新单个/多CLP方法高1.31x-2.37倍高2.37倍。和VC709 FPGA板。

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。