Compute-in-memory (CiM) has emerged as a compelling solution to alleviate high data movement costs in von Neumann machines. CiM can perform massively parallel general matrix multiplication (GEMM) operations in memory, the dominant computation in Machine Learning (ML) inference. However, re-purposing memory for compute poses key questions on 1) What type of CiM to use: Given a multitude of analog and digital CiMs, determining their suitability from systems perspective is needed. 2) When to use CiM: ML inference includes workloads with a variety of memory and compute requirements, making it difficult to identify when CiM is more beneficial than standard processing cores. 3) Where to integrate CiM: Each memory level has different bandwidth and capacity, that affects the data movement and locality benefits of CiM integration. In this paper, we explore answers to these questions regarding CiM integration for ML inference acceleration. We use Timeloop-Accelergy for early system-level evaluation of CiM prototypes, including both analog and digital primitives. We integrate CiM into different cache memory levels in an Nvidia A100-like baseline architecture and tailor the dataflow for various ML workloads. Our experiments show CiM architectures improve energy efficiency, achieving up to 0.12x lower energy than the established baseline with INT-8 precision, and upto 4x performance gains with weight interleaving and duplication. The proposed work provides insights into what type of CiM to use, and when and where to optimally integrate it in the cache hierarchy for GEMM acceleration.


翻译:存内计算(CiM)已成为缓解冯·诺依曼架构中高数据搬运成本的有效解决方案。CiM可在存储器中执行大规模并行的通用矩阵乘法(GEMM)运算,这是机器学习(ML)推理中的主导计算任务。然而,将存储器改造用于计算带来了三个关键问题:1)使用何种CiM类型:面对多种模拟与数字CiM方案,需要从系统角度确定其适用性;2)何时使用CiM:ML推理包含具有不同存储与计算需求的工作负载,难以界定CiM何时比标准处理核心更具优势;3)何处集成CiM:不同存储层级具有差异化的带宽与容量,这会影响CiM集成所带来的数据搬运与局部性优化效益。本文针对ML推理加速中的CiM集成问题探索上述答案。我们采用Timeloop-Accelergy工具对包括模拟与数字原语在内的CiM原型进行早期系统级评估,并在类Nvidia A100基准架构的不同缓存层级中集成CiM,针对各类ML工作负载定制数据流。实验表明,CiM架构可提升能效:采用INT-8精度时,能量消耗较基准方案最低降低0.12倍;通过权重交织与复制技术,性能最高提升4倍。本研究为GEMM加速提供了关于CiM类型选择及其在缓存层级中最优集成时机与位置的见解。

0
下载
关闭预览

相关内容

Integration:Integration, the VLSI Journal。 Explanation:集成,VLSI杂志。 Publisher:Elsevier。 SIT:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/integration/
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
【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
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29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
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5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 · 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 · 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
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
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月13日
Arxiv
17+阅读 · 2021年7月18日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
5+阅读 · 今天13:50
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
3+阅读 · 今天13:33
相关VIP内容
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
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
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5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 · 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 · 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
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
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员