Deep neural network (DNN) video analytics is crucial for autonomous systems such as self-driving vehicles, unmanned aerial vehicles (UAVs), and security robots. However, real-world deployment faces challenges due to their limited computational resources and battery power. To tackle these challenges, continuous learning exploits a lightweight "student" model at deployment (inference), leverages a larger "teacher" model for labeling sampled data (labeling), and continuously retrains the student model to adapt to changing scenarios (retraining). This paper highlights the limitations in state-of-the-art continuous learning systems: (1) they focus on computations for retraining, while overlooking the compute needs for inference and labeling, (2) they rely on power-hungry GPUs, unsuitable for battery-operated autonomous systems, and (3) they are located on a remote centralized server, intended for multi-tenant scenarios, again unsuitable for autonomous systems due to privacy, network availability, and latency concerns. We propose a hardware-algorithm co-designed solution for continuous learning, DaCapo, that enables autonomous systems to perform concurrent executions of inference, labeling, and training in a performant and energy-efficient manner. DaCapo comprises (1) a spatially-partitionable and precision-flexible accelerator enabling parallel execution of kernels on sub-accelerators at their respective precisions, and (2) a spatiotemporal resource allocation algorithm that strategically navigates the resource-accuracy tradeoff space, facilitating optimal decisions for resource allocation to achieve maximal accuracy. Our evaluation shows that DaCapo achieves 6.5% and 5.5% higher accuracy than a state-of-the-art GPU-based continuous learning systems, Ekya and EOMU, respectively, while consuming 254x less power.


翻译:深度神经网络(DNN)视频分析对于自动驾驶车辆、无人机(UAV)和安全机器人等自主系统至关重要。然而,由于计算资源和电池电量有限,其实际部署面临挑战。为应对这些挑战,持续学习在部署(推理)时利用轻量级“学生”模型,借助更大的“教师”模型为采样数据标注(标注),并持续重新训练学生模型以适应不断变化的场景(再训练)。本文指出了当前最先进的持续学习系统的局限性:(1)它们专注于再训练的计算,而忽视了推理和标注的计算需求;(2)它们依赖高功耗的GPU,不适用于电池供电的自主系统;(3)它们位于远程集中式服务器上,专为多租户场景设计,同样因隐私、网络可用性和延迟问题而不适用于自主系统。我们提出了一种硬件-算法协同设计的持续学习解决方案DaCapo,使自主系统能够以高性能和节能的方式并发执行推理、标注和训练。DaCapo包括(1)一个空间可分且精度灵活的加速器,支持在不同精度的子加速器上并行执行内核;(2)一种时空资源分配算法,策略性地权衡资源与精度,以做出最优的资源分配决策,实现最高精度。我们的评估表明,与最先进的基于GPU的持续学习系统Ekya和EOMU相比,DaCapo的精度分别提高了6.5%和5.5%,同时功耗降低了254倍。

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