Enhancing the computational efficiency of on-device Deep Neural Networks (DNNs) remains a significant challengein mobile and edge computing. As we aim to execute increasingly complex tasks with constrained computational resources, much of the research has focused on compressing neural network structures and optimizing systems. Although many studies have focused on compressing neural network structures and parameters or optimizing underlying systems, there has been limited attention on optimizing the fundamental building blocks of neural networks: the neurons. In this study, we deliberate on a simple but important research question: Can we design artificial neurons that offer greater efficiency than the traditional neuron paradigm? Inspired by the threshold mechanisms and the excitation-inhibition balance observed in biological neurons, we propose a novel artificial neuron model, Threshold Neurons. Using Threshold Neurons, we can construct neural networks similar to those with traditional artificial neurons, while significantly reducing hardware implementation complexity. Our extensive experiments validate the effectiveness of neural networks utilizing Threshold Neurons, achieving substantial power savings of 7.51x to 8.19x and area savings of 3.89x to 4.33x at the kernel level, with minimal loss in precision. Furthermore, FPGA-based implementations of these networks demonstrate 2.52x power savings and 1.75x speed enhancements at the system level. The source code will be made available upon publication.


翻译:提升设备端深度神经网络的计算效率在移动与边缘计算中仍是一项重大挑战。随着我们旨在利用受限的计算资源执行日益复杂的任务,大量研究聚焦于压缩神经网络结构与优化系统。尽管许多研究致力于压缩神经网络结构与参数或优化底层系统,但对于优化神经网络的基本构建单元——神经元——的关注却相对有限。在本研究中,我们深入探讨了一个简单但重要的研究问题:能否设计出比传统神经元范式更高效的人工神经元?受生物神经元中观察到的阈值机制与兴奋-抑制平衡的启发,我们提出了一种新的人工神经元模型——阈值神经元。使用阈值神经元,我们可以构建类似于传统人工神经元的神经网络,同时显著降低硬件实现的复杂度。我们的大量实验验证了采用阈值神经元的神经网络的有效性,在核心层级实现了7.51倍至8.19倍的显著功耗节省与3.89倍至4.33倍的面积节省,且精度损失极小。此外,基于FPGA实现的这些网络在系统层级展示了2.52倍的功耗节省与1.75倍的速度提升。源代码将在论文发表时公开。

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
【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
1+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
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
11+阅读 · 2018年4月8日
VIP会员
最新内容
《系统簇式多域作战规划范畴论框架》
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:54
高效视频扩散模型:进展与挑战
专知会员服务
0+阅读 · 今天13:34
乌克兰前线的五项创新
专知会员服务
5+阅读 · 今天6:14
 军事通信系统与设备的技术演进综述
专知会员服务
3+阅读 · 今天5:59
《北约标准:医疗评估手册》174页
专知会员服务
4+阅读 · 今天5:51
《提升生成模型的安全性与保障》博士论文
专知会员服务
4+阅读 · 今天5:47
美国当前高超音速导弹发展概述
专知会员服务
4+阅读 · 4月19日
无人机蜂群建模与仿真方法
专知会员服务
13+阅读 · 4月19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
1+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
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员