Markov chain Monte Carlo (MCMC) is a widely used sampling method in modern artificial intelligence and probabilistic computing systems. It involves repetitive random number generations and thus often dominates the latency of probabilistic model computing. Hence, we propose a compute-in-memory (CIM) based MCMC design as a hardware acceleration solution. This work investigates SRAM bitcell stochasticity and proposes a novel ``pseudo-read'' operation, based on which we offer a block-wise random number generation circuit scheme for fast random number generation. Moreover, this work proposes a novel multi-stage exclusive-OR gate (MSXOR) design method to generate strictly uniformly distributed random numbers. The probability error deviating from a uniform distribution is suppressed under $10^{-5}$. Also, this work presents a novel in-memory copy circuit scheme to realize data copy inside a CIM sub-array, significantly reducing the use of R/W circuits for power saving. Evaluated in a commercial 28-nm process development kit, this CIM-based MCMC design generates 4-bit$\sim$32-bit samples with an energy efficiency of $0.53$~pJ/sample and high throughput of up to $166.7$M~samples/s. Compared to conventional processors, the overall energy efficiency improves $5.41\times10^{11}$ to $2.33\times10^{12}$ times.


翻译:马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)是当代人工智能与概率计算系统中广泛采用的采样方法。该方法涉及重复的随机数生成,常成为概率模型计算的延时瓶颈。为此,我们提出一种基于计算内存(CIM)的MCMC设计方案作为硬件加速方案。本研究探究了SRAM存储单元的随机性,并提出一种新型“伪读取”操作,以此为基础设计出用于快速随机数生成的块式随机数发生电路方案。进一步地,本研究提出一种新型多级异或门(MSXOR)设计方法,用于生成严格均匀分布的随机数,将偏离均匀分布的概率误差抑制在$10^{-5}$以下。同时,本研究还提出一种新型内存复制电路方案,可在CIM子阵列内部实现数据复制,显著减少读写电路的使用以降低功耗。经商用28纳米工艺开发包评估,该基于CIM的MCMC设计可生成4位至32位采样值,能效达$0.53$皮焦/采样,吞吐量高达$1.667$亿采样/秒。与传统处理器相比,整体能效提升$5.41\times10^{11}$至$2.33\times10^{12}$倍。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+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
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
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
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31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
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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
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
Deep Anomaly Detection with Outlier Exposure
Arxiv
17+阅读 · 2018年12月21日
VIP会员
最新内容
《通往人工通用智能之路上的均衡策略》
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:22
《人工智能与军事整合:现状与未来风险》报告
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:12
《Palantir的科技生态系统》
专知会员服务
14+阅读 · 6月2日
《反无人机系统传感器融合》90页报告
专知会员服务
16+阅读 · 6月2日
运用人工智能与卫星通信驱散“战争迷雾”
专知会员服务
8+阅读 · 6月2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
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
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31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
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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
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