Transfer learning on edge is challenging due to on-device limited resources. Existing work addresses this issue by training a subset of parameters or adding model patches. Developed with inference in mind, Inverted Residual Blocks (IRBs) split a convolutional layer into depthwise and pointwise convolutions, leading to more stacking layers, e.g., convolution, normalization, and activation layers. Though they are efficient for inference, IRBs require that additional activation maps are stored in memory for training weights for convolution layers and scales for normalization layers. As a result, their high memory cost prohibits training IRBs on resource-limited edge devices, and making them unsuitable in the context of transfer learning. To address this issue, we present MobileTL, a memory and computationally efficient on-device transfer learning method for models built with IRBs. MobileTL trains the shifts for internal normalization layers to avoid storing activation maps for the backward pass. Also, MobileTL approximates the backward computation of the activation layer (e.g., Hard-Swish and ReLU6) as a signed function which enables storing a binary mask instead of activation maps for the backward pass. MobileTL fine-tunes a few top blocks (close to output) rather than propagating the gradient through the whole network to reduce the computation cost. Our method reduces memory usage by 46% and 53% for MobileNetV2 and V3 IRBs, respectively. For MobileNetV3, we observe a 36% reduction in floating-point operations (FLOPs) when fine-tuning 5 blocks, while only incurring a 0.6% accuracy reduction on CIFAR10. Extensive experiments on multiple datasets demonstrate that our method is Pareto-optimal (best accuracy under given hardware constraints) compared to prior work in transfer learning for edge devices.

在设备训练中，该模型可以通过微调预训练的模型来适应从传感器中收集的新数据。但是，对于具有少量内存资源的物联网设备，训练记忆消耗是过敏的。我们提出了一个算法 - 系统共同设计框架，以便仅使用256KB的内存使设备训练成为可能。在设备训练面临两个独特的挑战：（1）由于比特精确的混合和缺乏归一化而难以优化神经网络的量化图； （2）有限的硬件资源（内存和计算）不允许完整的向后计算。为了应对优化难度，我们提出了量化缩放量表来校准梯度尺度并稳定量化训练。为了减少内存足迹，我们提出稀疏更新，以跳过不太重要的层和子张量的梯度计算。该算法创新是由轻量级训练系统（小型训练引擎）实现的，该系统可修剪向后的计算图，以支持稀疏更新并卸载运行时自动分化以编译时间。我们的框架是第一个实用解决方案，用于在微型IoT设备上进行视觉识别的设备转移学习（例如，仅具有256KB SRAM的微控制器），使用少于1/100的现有框架的存储器，同时匹配云训练的准确性+Tinyml应用程序VWW的边缘部署。我们的研究使IoT设备不仅可以执行推理，还可以不断适应新的数据，以实现终身学习。

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。

由于存储器和计算资源有限，部署在移动设备上的卷积神经网络（CNNS）是困难的。我们的目标是通过利用特征图中的冗余来设计包括CPU和GPU的异构设备的高效神经网络，这很少在神经结构设计中进行了研究。对于类似CPU的设备，我们提出了一种新颖的CPU高效的Ghost（C-Ghost）模块，以生成从廉价操作的更多特征映射。基于一组内在的特征映射，我们使用廉价的成本应用一系列线性变换，以生成许多幽灵特征图，可以完全揭示内在特征的信息。所提出的C-Ghost模块可以作为即插即用组件，以升级现有的卷积神经网络。 C-Ghost瓶颈旨在堆叠C-Ghost模块，然后可以轻松建立轻量级的C-Ghostnet。我们进一步考虑GPU设备的有效网络。在建筑阶段的情况下，不涉及太多的GPU效率（例如，深度明智的卷积），我们建议利用阶段明智的特征冗余来制定GPU高效的幽灵（G-GHOST）阶段结构。舞台中的特征被分成两个部分，其中使用具有较少输出通道的原始块处理第一部分，用于生成内在特征，另一个通过利用阶段明智的冗余来生成廉价的操作。在基准测试上进行的实验证明了所提出的C-Ghost模块和G-Ghost阶段的有效性。 C-Ghostnet和G-Ghostnet分别可以分别实现CPU和GPU的准确性和延迟的最佳权衡。代码可在https://github.com/huawei-noah/cv-backbones获得。

Despite its importance for federated learning, continuous learning and many other applications, on-device training remains an open problem for EdgeAI. The problem stems from the large number of operations (e.g., floating point multiplications and additions) and memory consumption required during training by the back-propagation algorithm. Consequently, in this paper, we propose a new gradient filtering approach which enables on-device DNN model training. More precisely, our approach creates a special structure with fewer unique elements in the gradient map, thus significantly reducing the computational complexity and memory consumption of back propagation during training. Extensive experiments on image classification and semantic segmentation with multiple DNN models (e.g., MobileNet, DeepLabV3, UPerNet) and devices (e.g., Raspberry Pi and Jetson Nano) demonstrate the effectiveness and wide applicability of our approach. For example, compared to SOTA, we achieve up to 19$\times$ speedup and 77.1% memory savings on ImageNet classification with only 0.1% accuracy loss. Finally, our method is easy to implement and deploy; over 20$\times$ speedup and 90% energy savings have been observed compared to highly optimized baselines in MKLDNN and CUDNN on NVIDIA Jetson Nano. Consequently, our approach opens up a new direction of research with a huge potential for on-device training.

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.

Neural network pruning has been a well-established compression technique to enable deep learning models on resource-constrained devices. The pruned model is usually specialized to meet specific hardware platforms and training tasks (defined as deployment scenarios). However, existing pruning approaches rely heavily on training data to trade off model size, efficiency, and accuracy, which becomes ineffective for federated learning (FL) over distributed and confidential datasets. Moreover, the memory- and compute-intensive pruning process of most existing approaches cannot be handled by most FL devices with resource limitations. In this paper, we develop FedTiny, a novel distributed pruning framework for FL, to obtain specialized tiny models for memory- and computing-constrained participating devices with confidential local data. To alleviate biased pruning due to unseen heterogeneous data over devices, FedTiny introduces an adaptive batch normalization (BN) selection module to adaptively obtain an initially pruned model to fit deployment scenarios. Besides, to further improve the initial pruning, FedTiny develops a lightweight progressive pruning module for local finer pruning under tight memory and computational budgets, where the pruning policy for each layer is gradually determined rather than evaluating the overall deep model structure. Extensive experimental results demonstrate the effectiveness of FedTiny, which outperforms state-of-the-art baseline approaches, especially when compressing deep models to extremely sparse tiny models.

代表低精度的深度神经网络（DNN）是一种有希望的方法来实现有效的加速和记忆力。以前的方法在低精度中培训DNN的方法通常在重量更新期间在高精度中保持重量的重量副本。由于低精度数字系统与学习算法之间的复杂相互作用，直接具有低精度重量的培训导致精度下降。为了解决这个问题，我们开发了一个共同设计的低精度训练框架，被称为LNS-MADAM，我们共同设计了对数号系统（LNS）和乘法权重算法（MADAM）。我们证明了LNS-MADAM在重量更新期间导致低量化误差，即使精度有限，也导致稳定的收敛。我们进一步提出了LNS-MADAM的硬件设计，可以解决实现LNS计算的有效数据路径的实际挑战。我们的实现有效地降低了LNS - 整数转换和部分总和累积所产生的能量开销。实验结果表明，LNS-MADAM为全精密对应物达到了可比的准确性，只有8位对流行的计算机视觉和自然语言任务。与全精密浮点实施相比，LNS-MADAM将能耗降低超过90。

最近在各种领域中采用了关于下游任务的大型预训练模型。但是，更新大型预训练模型的整个参数集是昂贵的。尽管最近提出的参数效率转移学习（PETL）技术允许在预先训练的骨干网络内更新一小部分参数（例如，仅使用2％的参数）用于新任务，但它们只能通过最多减少训练记忆要求30％。这是因为可训练参数的梯度计算仍然需要通过大型预训练的骨干模型反向传播。为了解决这个问题，我们提出了梯子侧调（LST），这是一种新的PETL技术，可将训练记忆要求减少更多。与现有的参数效率方法不同，将其他参数插入骨干网络中，我们训练梯子侧网络，梯子侧网络是一个小而独立的网络，将中间激活作为通过快速连接（梯子）从骨干网络中获得的输入作为输入，并进行预测。 LST的内存要求明显低于以前的方法，因为它不需要通过骨干网络反向传播，而是仅通过侧网和梯子连接。我们使用NLP（胶）和视觉语言（VQA，GQA，NLVR2，MSCOCO）任务上的各种模型（T5，CLIP-T5）进行评估。 LST节省了69％的内存成本来微调整个网络，而其他方法仅将其中的26％保存在相似的参数使用中（因此，更多的内存节省了2.7倍）。此外，LST在低内存状态下的适配器和洛拉的精度高。为了进一步显示这种更好的记忆效率的优势，我们还将LST应用于较大的T5型号（T5-Large，T5-3B），比完整的微调和其他PETL方法获得更好的胶水性能。我们对VL任务的实验也完全相同。

尽管参数有效调整（PET）方法在自然语言处理（NLP）任务上显示出巨大的潜力，但其有效性仍然对计算机视觉（CV）任务的大规模转向进行了研究。本文提出了Conv-Adapter，这是一种专为CONCNET设计的PET模块。 Conv-Adapter具有轻巧的，可转让的域和架构，不合时宜，并且在不同的任务上具有广义性能。当转移下游任务时，Conv-Adapter将特定于任务的特征调制到主链的中间表示，同时保持预先训练的参数冻结。通过仅引入少量可学习的参数，例如，仅3.5％的RESNET50的完整微调参数，Conv-Adapter优于先前的宠物基线方法，并实现可比性或超过23个分类任务的全面调查的性能。它还在几乎没有分类的情况下表现出卓越的性能，平均利润率为3.39％。除分类外，Conv-Adapter可以推广到检测和细分任务，其参数降低了50％以上，但性能与传统的完整微调相当。

过度分辨的神经网络概括井，但训练昂贵。理想情况下，人们希望减少其计算成本，同时保留其概括的益处。稀疏的模型培训是实现这一目标的简单和有希望的方法，但随着现有方法与准确性损失，慢速训练运行时的困难或困难，仍然存在挑战，仍然存在困难的挑战。核心问题是，在离散的一组稀疏矩阵上搜索稀疏性掩模是困难和昂贵的。为了解决此问题，我们的主要见解是通过具有称为蝴蝶矩阵产品的固定结构的固定结构来优化优化稀疏矩阵的连续超集。随着蝴蝶矩阵不是硬件效率，我们提出了简单的蝴蝶（块和平坦）的变体来利用现代硬件。我们的方法（像素化蝴蝶）使用基于扁平块蝴蝶和低秩矩阵的简单固定稀疏模式，以缩小大多数网络层（例如，注意，MLP）。我们经验验证了像素化蝴蝶比蝴蝶快3倍，加快培训，以实现有利的准确性效率权衡。在ImageNet分类和Wikitext-103语言建模任务中，我们的稀疏模型训练比致密的MLP - 混频器，视觉变压器和GPT-2媒体更快地训练高达2.5倍，没有精确下降。

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。

深神经网络（DNN）的庞大计算和记忆成本通常排除了它们在资源约束设备中的使用。将参数和操作量化为较低的位精确，为神经网络推断提供了可观的记忆和能量节省，从而促进了在边缘计算平台上使用DNN。量化DNN的最新努力采用了一系列技术，包括渐进式量化，步进尺寸的适应性和梯度缩放。本文提出了一种针对边缘计算的混合精度卷积神经网络（CNN）的新量化方法。我们的方法在模型准确性和内存足迹上建立了一个新的Pareto前沿，展示了一系列量化模型，可提供低于4.3 MB的权重（WGTS。）和激活（ACTS。）。我们的主要贡献是：（i）用张量学的学习精度，（ii）WGTS的靶向梯度修饰，（i）硬件感知的异质可区分量化。和行为。为了减轻量化错误，以及（iii）多相学习时间表，以解决从更新到学习的量化器和模型参数引起的学习不稳定性。我们证明了我们的技术在Imagenet数据集上的有效性，包括高效网络lite0（例如，WGTS。的4.14MB和ACTS。以67.66％的精度）和MobilenEtV2（例如3.51MB WGTS。 ％ 准确性）。

IoT设备收集的数据通常是私人的，并且在各种用户之间具有巨大的多样性。因此，学习需要使用可用的代表性数据样本进行预训练，在物联网设备上部署预训练的模型，并使用本地数据在设备上调整已部署的模型。这种用于深度学习授权应用程序的设备改编需要数据和记忆效率。但是，现有的基于梯度的元学习方案无法支持记忆有效的适应。为此，我们提出了P-Meta，这是一种新的元学习方法，该方法可以强制执行结构的部分参数更新，同时确保快速概括到看不见的任务。对几片图像分类和强化学习任务的评估表明，与最先进的几次适应方法相比。

参加联合学习（FL）的设备通常具有异质通信，计算和内存资源。但是，在同步FL中，所有设备都需要按照服务器规定的相同截止日期来完成培训。我们的结果表明，在受约束的设备上训练较小的神经网络（NN）子集，即按照最新状态提出的删除神经元/过滤器，这是效率低下的，可以防止这些设备对模型做出有效的贡献。这会导致不公平的w.r.t受限设备的可实现精确度，尤其是在跨设备的类标签偏斜的情况下。我们提出了一种新型的FL技术CocoFl，该技术在所有设备上都保持了完整的NN结构。为了适应设备的异质资源，CocoFl冻结并量化了选定的层，减少通信，计算和内存需求，而其他层仍被完全精确地训练，使得能够达到高精度。因此，CoCOFL有效地利用了设备上的可用资源，并允许受限的设备对FL系统做出重大贡献，从而提高了参与者的公平性（准确性均等），并显着提高了模型的最终准确性。

从有限的资源中获得最大收益可以进步自然语言处理（NLP）研究和实践，同时保守资源。这些资源可能是数据，时间，存储或能源。NLP的最新工作从缩放率产生了有趣的结果。但是，仅使用比例来改善结果意味着资源消耗也会扩展。这种关系激发了对有效方法的研究，这些方法需要更少的资源才能获得相似的结果。这项调查涉及NLP效率的方法和发现，旨在指导该领域的新研究人员并激发新方法的发展。

日益复杂的机器学习模型的不断增长的计算需求通常需要使用强大的基于云的基础架构进行培训。已知二元神经网络由于其极端的计算和内存节省了更高精确的替代方案，因此有望进行现场推断。但是，他们现有的训练方法需要同时存储所有层的高精度激活，这通常使在内存受限的设备上学习不可行。在本文中，我们证明了二进制神经网络训练所需的向后传播操作对量化非常强大，从而使现代模型的现场学习成为实用命题。我们介绍了一种低成本的二元神经网络训练策略，该策略表现出相当大的记忆范围减少，同时几乎没有准确的损失与Courbariaux＆Bengio的标准方法。这些减少主要是通过仅以二进制格式保留激活来实现的。在后一种算法上，我们的置换替换量看到记忆需求减少3--5 $ \ times $，同时在可比时间内达到相似的测试准确性，这些型号跨越了一系列经过培训的小型模型，用于对流行数据集进行分类。我们还展示了对二进制RESNET-18的从划痕成像网训练，并实现了3.78 $ \ times $减少内存。我们的工作是开源的，包括覆盆子Pi靶向原型，我们用来验证建模的内存降低并捕获相关的能量滴。这样的节省将避免不必要的云下载，减少延迟，提高能源效率和保护最终用户的隐私。

Neural architecture search (NAS) has a great impact by automatically designing effective neural network architectures. However, the prohibitive computational demand of conventional NAS algorithms (e.g. 10 4 GPU hours) makes it difficult to directly search the architectures on large-scale tasks (e.g. ImageNet). Differentiable NAS can reduce the cost of GPU hours via a continuous representation of network architecture but suffers from the high GPU memory consumption issue (grow linearly w.r.t. candidate set size). As a result, they need to utilize proxy tasks, such as training on a smaller dataset, or learning with only a few blocks, or training just for a few epochs. These architectures optimized on proxy tasks are not guaranteed to be optimal on the target task. In this paper, we present ProxylessNAS that can directly learn the architectures for large-scale target tasks and target hardware platforms. We address the high memory consumption issue of differentiable NAS and reduce the computational cost (GPU hours and GPU memory) to the same level of regular training while still allowing a large candidate set. Experiments on CIFAR-10 and ImageNet demonstrate the effectiveness of directness and specialization. On CIFAR-10, our model achieves 2.08% test error with only 5.7M parameters, better than the previous state-of-the-art architecture AmoebaNet-B, while using 6× fewer parameters. On ImageNet, our model achieves 3.1% better top-1 accuracy than MobileNetV2, while being 1.2× faster with measured GPU latency. We also apply ProxylessNAS to specialize neural architectures for hardware with direct hardware metrics (e.g. latency) and provide insights for efficient CNN architecture design. 1

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。