Resistive random access memory (ReRAM)-based processing-in-memory (PIM) architectures have demonstrated great potential to accelerate Deep Neural Network (DNN) training/inference. However, the computational accuracy of analog PIM is compromised due to the non-idealities, such as the conductance variation of ReRAM cells. The impact of these non-idealities worsens as the number of concurrently activated wordlines and bitlines increases. To guarantee computational accuracy, only a limited number of wordlines and bitlines of the crossbar array can be turned on concurrently, significantly reducing the achievable parallelism of the architecture. While the constraints on parallelism limit the efficiency of the accelerators, they also provide a new opportunity for fine-grained mixed-precision quantization. To enable efficient DNN inference on practical ReRAM-based accelerators, we propose an algorithm-architecture co-design framework called \underline{B}lock-\underline{W}ise mixed-precision \underline{Q}uantization (BWQ). At the algorithm level, BWQ-A introduces a mixed-precision quantization scheme at the block level, which achieves a high weight and activation compression ratio with negligible accuracy degradation. We also present the hardware architecture design BWQ-H, which leverages the low-bit-width models achieved by BWQ-A to perform high-efficiency DNN inference on ReRAM devices. BWQ-H also adopts a novel precision-aware weight mapping method to increase the ReRAM crossbar's throughput. Our evaluation demonstrates the effectiveness of BWQ, which achieves a 6.08x speedup and a 17.47x energy saving on average compared to existing ReRAM-based architectures.


翻译:基于阻变存储器(ReRAM)的存内计算(PIM)架构在加速深度神经网络(DNN)训练/推理方面展现出巨大潜力。然而,由于非理想特性(如ReRAM单元的电导变化),模拟PIM的计算精度会受到影响。随着同时激活的字线和位线数量增加,这些非理想特性的影响会加剧。为保证计算精度,交叉阵列中只能同时开启有限数量的字线和位线,从而显著降低了架构的可实现并行度。虽然并行度限制制约了加速器的效率,但也为细粒度混合精度量化提供了新的机遇。为实现高效DNN推理于实用化基于ReRAM的加速器,我们提出一种算法-架构协同设计框架,称为块级混合精度量化(BWQ)。在算法层面,BWQ-A引入了块级别的混合精度量化方案,以可忽略的精度损失实现了高权重和激活压缩比。我们还提出了硬件架构设计BWQ-H,利用BWQ-A获得的低位宽模型在ReRAM器件上执行高效DNN推理。BWQ-H还采用了一种新颖的精度感知权重映射方法,以提升ReRAM交叉阵列的吞吐量。评估结果表明,BWQ的有效性显著,与现有基于ReRAM的架构相比,平均实现了6.08倍的加速和17.47倍的能耗节省。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12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
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
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Learning Embedding Adaptation for Few-Shot Learning
Arxiv
17+阅读 · 2018年12月10日
VIP会员
最新内容
“史诗怒火”行动:现代多域作战的重要节点
专知会员服务
5+阅读 · 今天5:05
《下一代无线网络中的多无人机通信资源管理》
专知会员服务
4+阅读 · 今天5:00
《同步多无人机系统中的故障与通信》
专知会员服务
4+阅读 · 7月29日
面向国防作战的最佳自主与蜂群无人机技术
专知会员服务
7+阅读 · 7月28日
相关资讯
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
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员