Wireless Chip-Scale Communications for Neural Network Accelerators

Wireless on-chip communications have been proposed as a complement to conventional Network-on-Chip (NoC) paradigms in manycore processors. In massively parallel architectures, the fast broadcast and reconfigurability capabilities of the wireless plane open the door to new scalable and adaptive architectures with significant impact on a plethora of fields. This thesis aims to explore such impact in the all-pervasive field of AI accelerators, designing and evaluating new accelerators augmented with wireless on-chip communication.The last decade has witnessed an explosive growth in the use of Deep Neural Networks in fields such as computer vision, natural language processing, medicine or economics. Their achievements in accuracy across so many relevant and different applications exhibit the enormous potential of this disruptive technology. However, this unprecedented performance is closely tied with the fact that their new designs contain much deeper and bigger layer sets, forcing them to manage millions - and in some cases even billions - of parameters. This comes at a high computational and communication cost at the processor level, which has prompted the development of new hardware aimed at handling such large computing expense more efficiently, the so called \acrlong{dnn} accelerators. This work explores the potential of enhancing the performance of these accelerators by introducing Wireless Networks-on-Chip in their design, a novel interconnect paradigm proposed by the research community to overcome some of the communication challenges that manycore systems face. Specifically, both on-chip and off-chip wireless interconnect implementations have been studied and evaluated. In the off-chip case, a theoretical improvement of 13X in the runtime has been achieved, but at the expense of some area and power overheads.La última década ha sido testigo de un inmenso crecimiento en el uso de Deep Neural Networks en campos como la visión artificial, procesamiento de lenguaje natural, medicina o economía. Haber conseguido estos resultados sin precedentes en aplicaciones tan relevantes y variadas muestra el enorme potencial de esta tecnología tan disruptiva. Sin embargo, estos logros van muy ligados al hecho de que los nuevos diseños contienen muchas más capas y más profundas, lo que se traduce en millones - y en algunos casos billones - de parámetros. Esto supone un gran coste computacional y de comunicación a nivel de procesador, lo que ha impulsado el desarrollo de nuevo hardware que permita gestionar tal coste de manera más eficiente, los llamados aceleradores de Deep Neural Networks. Este proyecto explora la potencial mejora en rendimiento de estos aceleradores mediante la introducción de Wireless Newtorks-on-Chip en su diseño, un nuevo paradigma de interconexiones propuesto por la comunidad científica para superar algunos de los problemas de comunicación que sistemas manycore deben afrontar. Específicamente, implementaciones tanto on-chip como off-chip se han estudiado y evaluado. Se ha conseguido una mejora teórica de 13X en el runtime, pero con algunos costes añadidos de área y potencia.La darrera dècada ha estat testimoni d'un immens creixement en l'ús de Deep Neural Networks en camps com la visió artificial, processament de llenguatge natural, medicina o economia. Haver aconseguit aquests resultats sense precedents en aplicacions tan rellevants i variades mostra l?enorme potencial d?aquesta tecnologia tan disruptiva. No obstant, aquests èxits van molt lligats al fet de que els nous dissenys contenen moltes més capes i més profundes, cosa que es tradueix en milions - i en alguns casos bilions - de paràmetres. Això suposa un gran cost computacional i de comunicació a nivell de processador, cosa que ha impulsat el desenvolupament de nou hardware que permetin gestionar tal cost de manera més eficient, els anomenats acceleradors de Deep Neural Networks. Aquest projecte explora la potencial millora en rendiment d'aquests acceleradors mitjançant la introducció de Wireless Newtorks-on-Chip al seu disseny, un nou paradigma d'interconnexions proposat per la comunitat científica per a superar alguns dels problemes de comunicació que sistemes manycore han d'afrontar. Específicament, implementacions tant on-chip com off-chip s'han estudiat i evaluat. En el cas off-chip, s'ha aconseguit una millora teòrica de 13X al runtime però amb alguns costos afegits d'àrea i potència