关键字斑点（KWS）对基于语音的用户交互与边缘的低功耗设备有益。边缘设备通常始终在线，因此Edge Computing带来带宽节省和隐私保护。这些设备通常具有有限的内存空间，计算性能，功率和成本，例如基于皮质的微控制器。面临的挑战是满足这些设备深度学习的高计算和低延迟要求。本文首先显示了我们在STM32F7微控制器上使用Cortex-M7 Core @216MHz和512KB静态RAM运行的小脚印KWS系统。我们选择的卷积神经网络（CNN）体系结构简化了KW的操作数量，以满足边缘设备的约束。我们的基线系统为每37ms生成分类结果，包括实时音频功能提取部分。本文进一步评估了微控制器上不同修剪和量化方法的实际性能，包括稀疏性的不同粒度，跳过零重量，重量优先级环路和SIMD指令。结果表明，对于微控制器，加速非结构化的修剪模型面临着巨大的挑战，并且结构化的修剪比非结构化的修剪更友好。结果还验证了量化和SIMD指令的性能改进。

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。

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。

本文介绍了稀疏的周期性收缩期（SPS）数据流，该数据流程推进了最先进的硬件加速器，用于支持轻型神经网络。具体而言，SPS DataFlow启用了一种新型的硬件设计方法，该方法通过新兴的修剪方案（定期基于模式的稀疏性（PPS））解锁。通过利用PPS的规律性，我们的Sparsity-Aware编译器可以最佳地重新定位权重，并在硬件中使用一个简单的索引单元来在权重和激活之间创建匹配。通过编译器硬件编码，SPS DataFlow具有更高的并行度，同时没有高索引开销，并且没有模型的准确性损失。在诸如VGG和Resnet之类的流行基准测试中进行了评估，SPS数据流以及随附的神经网络编译器编译器优于卷积神经网络（CNN）加速器设计的瞄准FPGA设备的设计。针对其他支撑重量存储格式，SPS导致4.49倍的能源效率提高，同时将存储需求降低3.67倍，用于总重量存储（非预紧权重加索引）和22,044X的索引存储器。

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。

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。

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。

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。

已经证明，深度神经网络（DNN）在解决许多现实问题方面是有效的，但其高计算成本禁止将这些模型部署到边缘设备。修剪，作为将零的方法引入模型重量的方法，已显示是在模型精度和计算效率之间提供良好权衡的有效方法，并且是一种生成压缩模型的广泛使用的方法。然而，修剪的粒度使得重要的权衡。在相同的稀疏性水平上，粗粒结构的稀疏图案在传统硬件上更有效，但导致更差的精度，而细粒度的非结构化稀疏模式可以实现更好的精度，但在现有硬件上效率低下。另一方面，一些现代处理器配备了快速的片上刻痕存储器和聚集/散射引擎，用于在这种存储器上执行间接负载和存储操作。在这项工作中，我们提出了一系列新颖的稀疏模式，命名为聚光散射（GS）模式，以利用Scratchpad存储器和收集/散射引擎来加速神经网络推论。相应地，我们呈现了一种紧凑的稀疏格式。提出的稀疏模式，以及一种新颖的修剪方法，解决了负载不平衡问题，并导致质量接近非结构化稀疏模型的型号，以及靠近结构化稀疏型号的计算效率。我们的实验表明，与传统结构稀疏模式相比，GS模式在精度和计算效率之间始终如一地进行折衷。 GS模式可以以相同的精度级别将DNN组件的运行时间减少两到三次。这是在三个不同的深度学习任务和流行模型中确认，即机器翻译的GNMT，用于图像识别的Reset50，以及用于声学语音识别的Japser。

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。

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。

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。

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。

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。

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.

卷积神经网络（CNN）已广泛用于各个领域并发挥了重要作用。卷积运营商是卷积神经网络的基本组成部分，也是网络培训和推理的最耗时的一部分。近年来，研究人员提出了几种快速卷积算法，包括FFT和Winograd。其中，Winograd卷积显着降低了卷积中的乘法操作，并且还比FFT卷积占据了更少的内存空间。因此，Winograd卷积迅速成为几年内快速卷积实施的首选。目前，卷积算法没有系统概述。本文旨在填补此差距，并为后续研究人员提供详细的参考。本文总结了从算法扩展，算法优化，实现和应用的三个方面的WinoGrad卷积的发展，最后在可能的未来方向上进行了简单的展望。

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。

我们与压缩神经语音增强（SE）下降到最佳配置基于神经加速器的新一代低功耗微控制器的目的（microNPU的）探讨网络稀疏化战略。我们研究了三个独特的稀疏结构：重修剪，修剪块和单位修剪;当应用于SE讨论他们的优点和缺点。我们专注于计算吞吐量，内存占用和模型质量之间的相互作用。我们的方法支持所有三种结构之上，共同学习整数，稀疏一起量化权重。此外，我们证明整数离线幅度修剪基于量化模型的性能基准。虽然高效的语音增强是一个活跃的研究领域，我们的工作是第一个块修剪适用于SE和第一个地址SE车型压缩microNPU的背景下。使用重修剪，我们表明，我们能够通过的42X的一个因素，从3.7MB压缩本已紧凑型的内存占用87KB，而只有在性能上失去0.1分贝SDR。我们也表现出与6.7倍使用块修剪只0.59分贝SDR的相应的SDR下降的计算加速。

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。