Transformers have achieved great success in a wide variety of natural language processing (NLP) tasks due to the attention mechanism, which assigns an importance score for every word relative to other words in a sequence. However, these models are very large, often reaching hundreds of billions of parameters, and therefore require a large number of DRAM accesses. Hence, traditional deep neural network (DNN) accelerators such as GPUs and TPUs face limitations in processing Transformers efficiently. In-memory accelerators based on non-volatile memory promise to be an effective solution to this challenge, since they provide high storage density while performing massively parallel matrix vector multiplications within memory arrays. However, attention score computations, which are frequently used in Transformers (unlike CNNs and RNNs), require matrix vector multiplications (MVM) where both operands change dynamically for each input. As a result, conventional NVM-based accelerators incur high write latency and write energy when used for Transformers, and further suffer from the low endurance of most NVM technologies. To address these challenges, we present X-Former, a hybrid in-memory hardware accelerator that consists of both NVM and CMOS processing elements to execute transformer workloads efficiently. To improve the hardware utilization of X-Former, we also propose a sequence blocking dataflow, which overlaps the computations of the two processing elements and reduces execution time. Across several benchmarks, we show that X-Former achieves upto 85x and 7.5x improvements in latency and energy over a NVIDIA GeForce GTX 1060 GPU and upto 10.7x and 4.6x improvements in latency and energy over a state-of-the-art in-memory NVM accelerator.


翻译:Transformer因采用注意力机制在各类自然语言处理任务中取得巨大成功,该机制为序列中每个词语相对于其他词语的重要性进行评分。然而,这类模型参数量巨大,动辄达到数千亿级别,因此需要大量DRAM访问。传统深度神经网络加速器(如GPU和TPU)在处理Transformer时存在效率瓶颈。基于非易失性存储器的内存计算加速器因其高存储密度与大规模并行矩阵向量乘法能力,成为解决该问题的有效方案。但与CNN和RNN不同,Transformer中频繁使用的注意力评分计算要求矩阵向量乘法(MVM)的两个操作数均随输入动态变化,导致传统NVM加速器在应用于Transformer时面临高写入时延、高写入能耗以及多数NVM技术低耐久性的问题。针对这些挑战,我们提出X-Former——一种由NVM和CMOS处理单元组成的混合型内存计算硬件加速架构,可高效执行Transformer工作负载。为提升X-Former的硬件利用率,我们还提出序列分块数据流机制,通过重叠两类处理单元的计算操作来缩短执行时间。在多个基准测试中,X-Former相较NVIDIA GeForce GTX 1060 GPU实现最高85倍时延提升和7.5倍能效提升,相较现有最先进的内存计算NVM加速器实现最高10.7倍时延提升和4.6倍能效提升。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17日
【推荐】ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年12月17日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
17+阅读 · 2022年2月23日
Arxiv
34+阅读 · 2022年2月15日
Arxiv
39+阅读 · 2021年11月11日
Arxiv
37+阅读 · 2021年8月2日
Arxiv
103+阅读 · 2021年6月8日
VIP会员
最新内容
《通过小型无人机系统将情报能力“作战化”》
消耗优势:美军的“精确规模化”概念
专知会员服务
8+阅读 · 6月15日
《离线语言支持系统:面向空战战术决策》
专知会员服务
10+阅读 · 6月15日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17日
【推荐】ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
机器学习研究会
20+阅读 · 2017年12月17日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关论文
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员