Over the past few years, silicon photonics-based computing has emerged as a promising alternative to CMOS-based computing for Deep Neural Networks (DNN). Unfortunately, the non-linear operations and the high-precision requirements of DNNs make it extremely challenging to design efficient silicon photonics-based systems for DNN inference and training. Hyperdimensional Computing (HDC) is an emerging, brain-inspired machine learning technique that enjoys several advantages over existing DNNs, including being lightweight, requiring low-precision operands, and being robust to noise introduced by the nonidealities in the hardware. For HDC, computing in-memory (CiM) approaches have been widely used, as CiM reduces the data transfer cost if the operands can fit into the memory. However, inefficient multi-bit operations, high write latency, and low endurance make CiM ill-suited for HDC. On the other hand, the existing electro-photonic DNN accelerators are inefficient for HDC because they are specifically optimized for matrix multiplication in DNNs and consume a lot of power with high-precision data converters. In this paper, we argue that photonic computing and HDC complement each other better than photonic computing and DNNs, or CiM and HDC. We propose PhotoHDC, the first-ever electro-photonic accelerator for HDC training and inference, supporting the basic, record-based, and graph encoding schemes. Evaluating with popular datasets, we show that our accelerator can achieve two to five orders of magnitude lower EDP than the state-of-the-art electro-photonic DNN accelerators for implementing HDC training and inference. PhotoHDC also achieves four orders of magnitude lower energy-delay product than CiM-based accelerators for both HDC training and inference.


翻译:近年来,基于硅光子学的计算已成为深度神经网络(DNN)领域替代基于CMOS计算的一种有前景的方案。然而,DNN的非线性操作和高精度要求使得设计用于DNN推理和训练的高效硅光子学系统极具挑战性。超维计算(HDC)是一种新兴的、受大脑启发的机器学习技术,与现有DNN相比具有若干优势,包括轻量化、对操作数精度要求低,以及对硬件非理想性引入的噪声具有鲁棒性。对于HDC,存内计算(CiM)方法已被广泛采用,因为如果操作数能放入内存,CiM可以降低数据传输成本。然而,低效的多比特操作、高写入延迟和低耐久性使得CiM并不适合HDC。另一方面,现有的电-光DNN加速器对HDC而言效率低下,因为它们专门针对DNN中的矩阵乘法进行了优化,并且高精度数据转换器功耗巨大。在本文中,我们认为光子计算与HDC的互补性优于光子计算与DNN,或CiM与HDC。我们提出了PhotoHDC,这是首个用于HDC训练和推理的电-光加速器,支持基础的、基于记录的以及图编码方案。使用流行数据集进行评估,我们表明,在实现HDC训练和推理时,我们的加速器能够比最先进的电-光DNN加速器实现低二到五个数量级的能量延迟积(EDP)。同时,对于HDC训练和推理,PhotoHDC相比基于CiM的加速器也实现了低四个数量级的能量延迟积。

0
下载
关闭预览

相关内容

Graph Transformer近期进展
专知会员服务
65+阅读 · 2023年1月5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
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
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
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
46+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
2+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11月7日
Arxiv
12+阅读 · 2023年5月22日
Arxiv
15+阅读 · 2022年5月14日
Knowledge Embedding Based Graph Convolutional Network
Arxiv
24+阅读 · 2021年4月23日
Arxiv
12+阅读 · 2019年2月26日
VIP会员
相关VIP内容
Graph Transformer近期进展
专知会员服务
65+阅读 · 2023年1月5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
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
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
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2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
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
相关论文
Arxiv
0+阅读 · 2024年11月7日
Arxiv
12+阅读 · 2023年5月22日
Arxiv
15+阅读 · 2022年5月14日
Knowledge Embedding Based Graph Convolutional Network
Arxiv
24+阅读 · 2021年4月23日
Arxiv
12+阅读 · 2019年2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
46+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
2+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