近年来，人工智能（AI）的领域已经见证了巨大的增长，然而，持续发展的一些最紧迫的挑战是电子计算机架构所面临的基本带宽，能效和速度限制。利用用于执行神经网络推理操作的光子处理器越来越感兴趣，但是这些网络目前使用标准数字电子培训。这里，我们提出了由CMOS兼容的硅光子架构实现的神经网络的片上训练，以利用大规模平行，高效和快速数据操作的电位。我们的方案采用直接反馈对准训练算法，它使用错误反馈而不是错误反向化而培训神经网络，并且可以在每秒乘以数万亿乘以量的速度运行，同时每次MAC操作消耗小于一个微微约会。光子架构利用并行化矩阵 - 向量乘法利用微址谐振器阵列，用于沿着单个波导总线处理多通道模拟信号，以便原位计算每个神经网络层的梯度向量，这是在后向通过期间执行的最昂贵的操作。 。我们还通过片上MAC操作结果实验地示意使用MNIST数据集进行培训深度神经网络。我们的高效，超快速神经网络训练的新方法展示了光子学作为执行AI应用的有希望的平台。

随着深度神经网络（DNN）的发展以解决日益复杂的问题，它们正受到现有数字处理器的延迟和功耗的限制。为了提高速度和能源效率，已经提出了专门的模拟光学和电子硬件，但是可扩展性有限（输入矢量长度$ k $的数百个元素）。在这里，我们提出了一个可扩展的，单层模拟光学处理器，该光学处理器使用自由空间光学器件可重新配置输入向量和集成的光电，用于静态，可更新的加权和非线性 - 具有$ k \ \ 1,000 $和大约1,000美元和超过。我们通过实验测试MNIST手写数字数据集的分类精度，在没有数据预处理或在硬件上进行数据重新处理的情况下达到94.7％（地面真相96.3％）。我们还确定吞吐量（$ \ sim $ 0.9 examac/s）的基本上限，由最大光带宽设置，然后大大增加误差。我们在兼容CMOS兼容系统中宽光谱和空间带宽的组合可以实现下一代DNN的高效计算。

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。

由于深度学习在许多人工智能应用中显示了革命性的性能，其升级的计算需求需要用于巨大并行性的硬件加速器和改进的吞吐量。光学神经网络（ONN）是下一代神经关键组成的有希望的候选者，由于其高并行，低延迟和低能量消耗。在这里，我们设计了一个硬件高效的光子子空间神经网络（PSNN）架构，其针对具有比具有可比任务性能的前一个ONN架构的光学元件使用，区域成本和能量消耗。此外，提供了一种硬件感知培训框架，以最小化所需的设备编程精度，减少芯片区域，并提高噪声鲁棒性。我们在实验上展示了我们的PSNN在蝴蝶式可编程硅光子集成电路上，并在实用的图像识别任务中显示其实用性。

With an ever-growing number of parameters defining increasingly complex networks, Deep Learning has led to several breakthroughs surpassing human performance. As a result, data movement for these millions of model parameters causes a growing imbalance known as the memory wall. Neuromorphic computing is an emerging paradigm that confronts this imbalance by performing computations directly in analog memories. On the software side, the sequential Backpropagation algorithm prevents efficient parallelization and thus fast convergence. A novel method, Direct Feedback Alignment, resolves inherent layer dependencies by directly passing the error from the output to each layer. At the intersection of hardware/software co-design, there is a demand for developing algorithms that are tolerable to hardware nonidealities. Therefore, this work explores the interrelationship of implementing bio-plausible learning in-situ on neuromorphic hardware, emphasizing energy, area, and latency constraints. Using the benchmarking framework DNN+NeuroSim, we investigate the impact of hardware nonidealities and quantization on algorithm performance, as well as how network topologies and algorithm-level design choices can scale latency, energy and area consumption of a chip. To the best of our knowledge, this work is the first to compare the impact of different learning algorithms on Compute-In-Memory-based hardware and vice versa. The best results achieved for accuracy remain Backpropagation-based, notably when facing hardware imperfections. Direct Feedback Alignment, on the other hand, allows for significant speedup due to parallelization, reducing training time by a factor approaching N for N-layered networks.

尖峰神经网络（SNN）提供了一个新的计算范式，能够高度平行，实时处理。光子设备是设计与SNN计算范式相匹配的高带宽，平行体系结构的理想选择。 CMO和光子元件的协整允许将低损耗的光子设备与模拟电子设备结合使用，以更大的非线性计算元件的灵活性。因此，我们在整体硅光子学（SIPH）过程上设计和模拟了光电尖峰神经元电路，该过程复制了超出泄漏的集成和火（LIF）之外有用的尖峰行为。此外，我们探索了两种学习算法，具有使用Mach-Zehnder干涉法（MZI）网格作为突触互连的片上学习的潜力。实验证明了随机反向传播（RPB）的变体，并在简单分类任务上与标准线性回归的性能相匹配。同时，将对比性HEBBIAN学习（CHL）规则应用于由MZI网格组成的模拟神经网络，以进行随机输入输出映射任务。受CHL训练的MZI网络的性能比随机猜测更好，但不符合理想神经网络的性能（没有MZI网格施加的约束）。通过这些努力，我们证明了协调的CMO和SIPH技术非常适合可扩展的SNN计算体系结构的设计。

深度神经网络（DNN）在各个领域的有效性（例如分类问题，图像处理，视频细分和语音识别）已被证明。加速器内存（AIM）架构是有效加速DNN的有前途解决方案，因为它们可以避免传统的von Neumann架构的内存瓶颈。由于主要内存通常在许多系统中是DRAM，因此在DRAM中高度平行的多重含用（MAC）阵列可以通过减少处理器和主内存之间的数据运动的距离和数量来最大化目标的好处。本文介绍了一个名为MAC-DO的基于模拟MAC阵列的AIM架构。与以前的IN-DRAM加速器相反，MAC-DO使整个DRAM阵列同时参与MAC计算，而无需闲置细胞，从而导致更高的吞吐量和能量效率。通过利用基于电荷转向的新的模拟计算方法来实现这种改进。此外，Mac-Do天生支持具有良好线性的多位Mac。 MAC-DO仍然与当前的1T1C DRAM技术兼容，而没有任何DRAM单元格和数组的修改。 MAC-DO数组可以基于输出固定映射加速矩阵乘法，因此支持DNN中执行的大多数计算。我们使用晶体管级仿真的评估表明，具有16 x 16 Mac-Do细胞的测试MAC-DO阵列可达到188.7 TOPS/W，并显示了MNIST数据集的97.07％TOP-1准确性，而无需重新培训。

在这项工作中，我们介绍了一种光电尖峰，能够以超速率（$ \ \左右100磅/光学尖峰）和低能耗（$ <$ PJ /秒码）运行。所提出的系统结合了具有负差分电导的可激发谐振隧道二极管（RTD）元件，耦合到纳米级光源（形成主节点）或光电探测器（形成接收器节点）。我们在数值上学习互连的主接收器RTD节点系统的尖峰动态响应和信息传播功能。使用脉冲阈值和集成的关键功能，我们利用单个节点来对顺序脉冲模式进行分类，并对图像特征（边缘）识别执行卷积功能。我们还展示了光学互连的尖峰神经网络模型，用于处理超过10 Gbps的时空数据，具有高推理精度。最后，我们展示了利用峰值定时依赖性可塑性的片外监督的学习方法，使能RTD的光子尖峰神经网络。这些结果证明了RTD尖峰节点用于低占地面积，低能量，高速光电实现神经形态硬件的潜在和可行性。

复发性神经网络（RNN）用于在数据序列中学习依赖性的应用，例如语音识别，人类活动识别和异常检测。近年来，GRUS和LSTM等较新的RNN变体已用于实施这些应用程序。由于这些应用中的许多应用都在实时场景中采用，因此加速RNN/LSTM/GRU推断至关重要。在本文中，我们提出了一种新型的光子硬件加速器，称为Reclight，用于加速简单的RNN，GRUS和LSTMS。仿真结果表明，与最先进的情况相比，重新调整的每位能量低37倍，吞吐量要高10％。

神经网络的越来越大的规模及其越来越多的应用空间对更高的能量和记忆有效的人工智能特定硬件产生了需求。 venues为了缓解主要问题，von neumann瓶颈，包括内存和近记忆架构，以及算法方法。在这里，我们利用磁隧道结（MTJ）的低功耗和固有的二进制操作来展示基于MTJ的无源阵列的神经网络硬件推断。通常，由于设备到装置的变化，写入误差，寄生电阻和非前沿，在性能下将训练的网络模型转移到推动的硬件。为了量化这些硬件现实的效果，我们将300个唯一重量矩阵解决方案的23个唯一的重量矩阵解决方案进行分类，以分类葡萄酒数据集，用于分类准确性和写真保真度。尽管设备不完美，我们可以实现高达95.3％的软件等效精度，并在15 x 15 MTJ阵列中正确调整具有一系列设备尺寸的阵列。此调谐过程的成功表明，需要新的指标来表征混合信号硬件中再现的网络的性能和质量。

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.

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。

Training of large-scale deep neural networks is often constrained by the available computational resources. We study the effect of limited precision data representation and computation on neural network training. Within the context of low-precision fixed-point computations, we observe the rounding scheme to play a crucial role in determining the network's behavior during training. Our results show that deep networks can be trained using only 16-bit wide fixed-point number representation when using stochastic rounding, and incur little to no degradation in the classification accuracy. We also demonstrate an energy-efficient hardware accelerator that implements low-precision fixed-point arithmetic with stochastic rounding.

与神经网络的软件模拟相反，硬件实现通常有限或没有可调性。尽管此类网络在速度和能源效率方面有了很大的改善，但它们的性能受到应用有效培训的困难的限制。我们建议并实现实验性的光学系统，在该系统中，可以通过一系列高度非线性的，不可调节的节点来应用高效的反向传播训练。该系统包括实现非线性激活函数的激子孔节点。我们在单个隐藏层系统中的MNIST手写数字基准中演示了高分类精度。

在当今的数据密集型时代，深度学习非常普遍。特别是，卷积神经网络（CNN）在各种领域被广泛采用，以获得卓越的准确性。但是，计算传统CPU和GPU的深入CNN带来了几种性能和能量陷阱。最近已经证明了基于ASIC，FPGA和电阻内存设备的几种新型方法，并有令人鼓舞的结果。他们中的大多数仅针对深度学习的推理（测试）阶段。尝试设计能够培训和推理的全面深度学习加速器的尝试非常有限。这是由于训练阶段的高度计算和记忆密集型性质。在本文中，我们提出了一种新型的模拟光子CNN加速器Litecon。 Litecon使用基于硅微波炉的卷积，基于备忘录的内存和密集波长 - 划分的稳定和超快深度学习。我们使用商业CAD框架（IPKISS）评估LiteCon，该框架（IPKISS）在包括Lenet和VGG-NET在内的深度学习基准模型上评估。与最先进的情况相比，LiteCon分别将CNN的吞吐量，能源效率和计算效率提高了32倍，37倍和5倍，并具有微不足道的精度降解。

我们提出了一个新颖的框架，用于设计无乘数内核机器，该机器可以在智能边缘设备等资源约束平台上使用。该框架使用基于边缘传播（MP）技术的分段线性（PWL）近似值，仅使用加法/减法，移位，比较和寄存器底流/溢出操作。我们建议使用针对现场可编程门阵列（FPGA）平台进行优化的基于硬件的MP推理和在线培训算法。我们的FPGA实施消除了对DSP单元的需求，并减少了LUT的数量。通过重复使用相同的硬件进行推理和培训，我们表明该平台可以克服由MP近似产生的分类错误和本地最小值。该提议的无乘数MP-Kernel机器在FPGA上的实施导致估计的能源消耗为13.4 PJ，功率消耗为107 MW，每台均具有〜9K LUTS和FFS，每张均具有256 x 32个大小的核与其他可比实现相比，区域和区域。

The ever-growing deep learning technologies are making revolutionary changes for modern life. However, conventional computing architectures are designed to process sequential and digital programs, being extremely burdened with performing massive parallel and adaptive deep learning applications. Photonic integrated circuits provide an efficient approach to mitigate bandwidth limitations and power-wall brought by its electronic counterparts, showing great potential in ultrafast and energy-free high-performance computing. Here, we propose an optical computing architecture enabled by on-chip diffraction to implement convolutional acceleration, termed optical convolution unit (OCU). We demonstrate that any real-valued convolution kernels can be exploited by OCU with a prominent computational throughput boosting via the concept of structral re-parameterization. With OCU as the fundamental unit, we build an optical convolutional neural network (oCNN) to implement two popular deep learning tasks: classification and regression. For classification, Fashion-MNIST and CIFAR-4 datasets are tested with accuracy of 91.63% and 86.25%, respectively. For regression, we build an optical denoising convolutional neural network (oDnCNN) to handle Gaussian noise in gray scale images with noise level {\sigma} = 10, 15, 20, resulting clean images with average PSNR of 31.70dB, 29.39dB and 27.72dB, respectively. The proposed OCU presents remarkable performance of low energy consumption and high information density due to its fully passive nature and compact footprint, providing a highly parallel while lightweight solution for future computing architecture to handle high dimensional tensors in deep learning.

具有最小延迟的人工神经网络的决策对于诸如导航，跟踪和实时机器动作系统之类的许多应用来说是至关重要的。这要求机器学习硬件以高吞吐量处理多维数据。不幸的是，处理卷积操作是数据分类任务的主要计算工具，遵循有挑战性的运行时间复杂性缩放法。然而，在傅立叶光学显示器 - 光处理器中同心地实现卷积定理，使得不迭代的O（1）运行时复杂度以超过1,000×1,000大矩阵的数据输入。在此方法之后，这里我们展示了具有傅里叶卷积神经网络（FCNN）加速器的数据流多核图像批处理。我们将大规模矩阵的图像批量处理显示为傅立叶域中的数字光处理模块执行的被动的2000万点产品乘法。另外，我们通过利用多种时空衍射令并进一步并行化该光学FCNN系统，从而实现了最先进的FCNN加速器的98倍的产量改进。综合讨论与系统能力边缘工作相关的实际挑战突出了傅立叶域和决议缩放法律的串扰问题。通过利用展示技术中的大规模平行性加速卷积带来了基于VAN Neuman的机器学习加速度。

我们提出了Memprop，即采用基于梯度的学习来培训完全的申请尖峰神经网络（MSNNS）。我们的方法利用固有的设备动力学来触发自然产生的电压尖峰。这些由回忆动力学发出的尖峰本质上是类似物，因此完全可区分，这消除了尖峰神经网络（SNN）文献中普遍存在的替代梯度方法的需求。回忆性神经网络通常将备忘录集成为映射离线培训网络的突触，或者以其他方式依靠关联学习机制来训练候选神经元的网络。相反，我们直接在循环神经元和突触的模拟香料模型上应用了通过时间（BPTT）训练算法的反向传播。我们的实现是完全的综合性，因为突触重量和尖峰神经元都集成在电阻RAM（RRAM）阵列上，而无需其他电路来实现尖峰动态，例如模数转换器（ADCS）或阈值比较器。结果，高阶电物理效应被充分利用，以在运行时使用磁性神经元的状态驱动动力学。通过朝着非同一梯度的学习迈进，我们在以前报道的几个基准上的轻巧密集的完全MSNN中获得了高度竞争的准确性。

我们证明，与畴壁（DW）位置的大量随机变化的量化量（名义上是5态）突触的极低分辨率可以是节能的，并且与使用浮动精度相比，与类似尺寸的深度神经网络（DNN）相比具有相当高的测试精度。突触权重。具体地，电压控制的DW器件展示随机性的随机行为，与微磁性模拟严格，并且只能编码有限状态;但是，它们在训练和推论中都可以非常节能。我们表明，通过对学习算法实施合适的修改，我们可以解决随机行为以及减轻其低分辨率的影响，以实现高测试精度。在这项研究中，我们提出了原位和前地训练算法，基于Hubara等人提出的算法的修改。 [1]适用于突触权重的量化。我们使用2个，3和5状态DW设备作为Synapse培训Mnist DataSet上的几个5层DNN。对于原位训练，采用单独的高精度存储器单元来保护和累积重量梯度，然后被量化以编程低精密DW设备。此外，在训练期间使用尺寸的噪声公差余量来解决内部编程噪声。对于前训训练，首先基于所表征的DW设备模型和噪声公差余量进行前体DNN，其类似于原位培训。值得注意的是，对于原位推断，对设备的能量耗散装置仅是每次推断仅13页，因为在整个MNIST数据集上进行10个时期进行训练。