Analog In-Memory Computing (AIMC) is an emerging technology for fast and energy-efficient Deep Learning (DL) inference. However, a certain amount of digital post-processing is required to deal with circuit mismatches and non-idealities associated with the memory devices. Efficient near-memory digital logic is critical to retain the high area/energy efficiency and low latency of AIMC. Existing systems adopt Floating Point 16 (FP16) arithmetic with limited parallelization capability and high latency. To overcome these limitations, we propose a Near-Memory digital Processing Unit (NMPU) based on fixed-point arithmetic. It achieves competitive accuracy and higher computing throughput than previous approaches while minimizing the area overhead. Moreover, the NMPU supports standard DL activation steps, such as ReLU and Batch Normalization. We perform a physical implementation of the NMPU design in a 14 nm CMOS technology and provide detailed performance, power, and area assessments. We validate the efficacy of the NMPU by using data from an AIMC chip and demonstrate that a simulated AIMC system with the proposed NMPU outperforms existing FP16-based implementations, providing 139$\times$ speed-up, 7.8$\times$ smaller area, and a competitive power consumption. Additionally, our approach achieves an inference accuracy of 86.65 %/65.06 %, with an accuracy drop of just 0.12 %/0.4 % compared to the FP16 baseline when benchmarked with ResNet9/ResNet32 networks trained on the CIFAR10/CIFAR100 datasets, respectively.


翻译:模拟存内计算(AIMC)是一种用于实现快速且高能效深度学习推理的新兴技术。然而,为应对电路失配和存储器件非理想特性,需要一定量的数字后处理。高效的近存数字逻辑对于保持AIMC的高面积/能效比和低延迟至关重要。现有系统采用并行化能力有限且延迟较高的16位浮点运算。为克服这些局限,我们提出一种基于定点运算的近存数字处理单元(NMPU)。该单元在最小化面积开销的同时,实现了优于先前方法的竞争性精度和更高计算吞吐量。此外,NMPU支持ReLU和批归一化等标准深度学习激活步骤。我们基于14纳米CMOS工艺完成了NMPU设计的物理实现,并提供了详细的性能、功耗和面积评估。通过使用AIMC芯片的数据验证NMPU的有效性,结果表明:采用所提NMPU的模拟AIMC系统优于现有基于FP16的实现方案,实现了139倍加速、7.8倍面积缩减以及具有竞争力的功耗。此外,在采用CIFAR10/CIFAR100数据集训练的ResNet9/ResNet32网络基准测试中,本方法分别实现了86.65%/65.06%的推理精度,与FP16基线相比精度损失仅为0.12%/0.4%。

0
下载
关闭预览

相关内容

机器学习系统设计系统评估标准
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
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
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
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
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
Principal Neighbourhood Aggregation for Graph Nets
Arxiv
17+阅读 · 2020年6月7日
VIP会员
最新内容
乌克兰纵深打击如何重塑俄罗斯的战略选择
专知会员服务
2+阅读 · 7月24日
俄乌战争中关于中程打击无人机部署的经验启示
《基于强化学习的自动化红队测试》
专知会员服务
4+阅读 · 7月23日
伊朗不对称防空战略的演进
专知会员服务
4+阅读 · 7月23日
对抗环境下超视距目标打击的情报支援
专知会员服务
10+阅读 · 7月22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
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
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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