Automated Design of Approximate Accelerators

In den letzten zehn Jahren hat das Bedürfnis nach Recheneffizienz die Entwicklung neuer Geräte, Architekturen und Entwurfstechniken motiviert. Approximate Computing hat sich als modernes, energieeffizientes Entwurfsparadigma für Anwendungen herausgestellt, die eine inhärente Fehlertoleranz aufweisen. Wenn die Genauigkeit der Ergebnisse in aktuellen Anwendungen wie Bildverarbeitung, Computer Vision und maschinellem Lernen auf ein akzeptables Maß reduziert wird, können Einsparungen im Schaltungsbereich, bei der Schaltkreisverzögerung und beim Stromverbrauch erzielt werden. Mit dem Aufkommen dieses Approximate Computing Paradigmas wurden in der Literatur viele approximierte Funktionseinheiten angegeben, insbesondere approximierte Addierer und Multiplizierer. Für eine Vielzahl solcher approximierter Schaltkreise und unter Berücksichtigung ihrer Verwendung als Bausteine für den Entwurf von approximierten Beschleunigern für fehlertolerante Anwendungen, ergibt sich eine Herausforderung: die Auswahl dieser approximierten Schaltkreise für eine bestimmte Anwendung, die die erforderlichen Ressourcen minimieren und gleichzeitig eine definierte Genauigkeit erfüllen. Diese Dissertation schlägt automatisierte Methoden zum Entwerfen und Implementieren von approximierten Beschleunigern vor, die aus approximierten arithmetischen Schaltungen aufgebaut sind. Um dies zu erreichen, befasst sich diese Dissertation mit folgenden Herausforderungen und liefert die nachfolgenden neuartigen Beiträge: In der Literatur wurden viele approximierte Addierer und Multiplizierer vorgestellt, indem entweder approximierte Entwürfe aus genauen Implementierungen wie dem Ripple-Carry-Addierer vorgeschlagen oder durch Approximate Logic Synthesis (ALS) Methoden generiert wurden. Ein repräsentativer Satz dieser approximierten Komponenten ist erforderlich, um approximierte Beschleuniger zu bauen. In diesem Sinne präsentiert diese Dissertation zwei Ansätze, um solche approximierte arithmetische Schaltungen zu erstellen. Zunächst wird AUGER vorgestellt, ein Tool, mit dem Register-Transfer Level (RTL) Beschreibungen für einen breiten Satz von approximierten Addierern und Multiplizierer für unterschiedliche Datenbitbreiten- und Genauigkeitskonfigurationen generiert werden können. Mit AUGER kann eine Design Space Exploration (DSE) von approximierten Komponenten durchgeführt werden, um diejenigen zu finden, die für eine gegebene Bitbreite, einen gegebenen Approximationsbereich und eine gegebene Schaltungsmetrik Pareto-optimal sind. Anschließend wird AxLS vorgestellt, ein Framework für ALS, das die Implementierung modernster Methoden und den Vorschlag neuartiger Methoden ermöglicht, um strukturelle Netzlistentransformationen durchzuführen und approximierte arithmetische Schaltungen aus genauen Schaltungen zu generieren. Darüber hinaus bieten beide Werkzeuge eine Fehlercharakterisierung in Form einer Fehlerverteilung und Schaltungseigenschaften (Fläche, Schaltkreisverzögerung und Leistung) für jede von ihnen erzeugte approximierte Schaltung. Diese Informationen sind für das Untersuchungsziel dieser Dissertation von wesentlicher Bedeutung. Trotz der Fehlertoleranz müssen approximierte Beschleuniger so ausgelegt sein, dass sie Genauigkeitsvorgaben erfüllen. Für den Entwurf solcher Beschleuniger unter Verwendung von approximierten arithmetischen Schaltungen ist es daher unerlässlich zu bewerten, wie sich die durch approximierte Schaltungen verursachten Fehler durch andere Berechnungen ausbreiten, entweder genau oder ungenau, und sich schließlich am Ausgang ansammeln. Diese Dissertation schlägt analytische Modelle vor, um die Fehlerpropagation durch genaue und approximierte Berechnungen zu beschreiben. Mit ihnen wird eine automatisierte, compilerbasierte Methodik vorgeschlagen, um die Fehlerpropagation auf approximierten Beschleunigerdesigns abzuschätzen. Diese Methode ist in ein Tool, CEDA, integriert, um schnelle, simulationsfreie Genauigkeitsschätzungen von approximierten Beschleunigermodellen durchzuführen, die unter Verwendung von C-Code beschrieben wurden. Beim Entwurf von approximierten Beschleunigern benötigen sich wiederholende Simulationen auf Gate-Level und die Schaltungssynthese viel Zeit, um viele oder sogar alle möglichen Kombinationen für einen gegebenen Satz von approximierten arithmetischen Schaltungen zu untersuchen. Andererseits basieren aktuelle Trends beim Entwerfen von Beschleunigern auf High-Level Synthesis (HLS) Werkzeugen. In dieser Dissertation werden analytische Modelle zur Schätzung der erforderlichen Rechenressourcen vorgestellt, wenn approximierte Addierer und Multiplizierer in Konstruktionen von approximierten Beschleunigern verwendet werden. Darüber hinaus werden diese Modelle zusammen mit den vorgeschlagenen analytischen Modellen zur Genauigkeitsschätzung in eine DSE-Methodik für fehlertolerante Anwendungen, DSEwam, integriert, um Pareto-optimale oder nahezu Pareto-optimale Lösungen für approximierte Beschleuniger zu identifizieren. DSEwam ist in ein HLS-Tool integriert, um automatisch RTL-Beschreibungen von approximierten Beschleunigern aus C-Sprachbeschreibungen für eine bestimmte Fehlerschwelle und ein bestimmtes Minimierungsziel zu generieren. Die Verwendung von approximierten Beschleunigern muss sicherstellen, dass Fehler, die aufgrund von approximierten Berechnungen erzeugt werden, innerhalb eines definierten Maximalwerts für eine gegebene Genauigkeitsmetrik bleiben. Die Fehler, die durch approximierte Beschleuniger erzeugt werden, hängen jedoch von den Eingabedaten ab, die hinsichtlich der für das Design verwendeten Daten unterschiedlich sein können. In dieser Dissertation wird ECAx vorgestellt, eine automatisierte Methode zur Untersuchung und Anwendung feinkörniger Fehlerkorrekturen mit geringem Overhead in approximierten Beschleunigern, um die Kosten für die Fehlerkorrektur auf Softwareebene (wie es in der Literatur gemacht wird) zu senken. Dies erfolgt durch selektive Korrektur der signifikantesten Fehler (in Bezug auf ihre Größenordnung), die von approximierten Komponenten erzeugt werden, ohne die Vorteile der Approximationen zu verlieren. Die experimentelle Auswertung zeigt Beschleunigungsverbesserungen für die Anwendung im Austausch für einen leicht gestiegenen Flächen- und Leistungsverbrauch im approximierten Beschleunigerdesign

Design Space Exploration of Neural Network Activation Function Circuits

The widespread application of artificial neural networks has prompted researchers to experiment with FPGA and customized ASIC designs to speed up their computation. These implementation efforts have generally focused on weight multiplication and signal summation operations, and less on activation functions used in these applications. Yet, efficient hardware implementations of nonlinear activation functions like Exponential Linear Units (ELU), Scaled Exponential Linear Units (SELU), and Hyperbolic Tangent (tanh), are central to designing effective neural network accelerators, since these functions require lots of resources. In this paper, we explore efficient hardware implementations of activation functions using purely combinational circuits, with a focus on two widely used nonlinear activation functions, i.e., SELU and tanh. Our experiments demonstrate that neural networks are generally insensitive to the precision of the activation function. The results also prove that the proposed combinational circuit-based approach is very efficient in terms of speed and area, with negligible accuracy loss on the MNIST, CIFAR-10 and IMAGENET benchmarks. Synopsys Design Compiler synthesis results show that circuit designs for tanh and SELU can save between 3.13-7.69 and 4.45-8:45 area compared to the LUT/memory-based implementations, and can operate at 5.14GHz and 4.52GHz using the 28nm SVT library, respectively. The implementation is available at: https://github.com/ThomasMrY/ActivationFunctionDemo.Comment: 5 pages, 5 figures, 16 conferenc

Approximate Computing Survey, Part II: Application-Specific & Architectural Approximation Techniques and Applications

The challenging deployment of compute-intensive applications from domains such Artificial Intelligence (AI) and Digital Signal Processing (DSP), forces the community of computing systems to explore new design approaches. Approximate Computing appears as an emerging solution, allowing to tune the quality of results in the design of a system in order to improve the energy efficiency and/or performance. This radical paradigm shift has attracted interest from both academia and industry, resulting in significant research on approximation techniques and methodologies at different design layers (from system down to integrated circuits). Motivated by the wide appeal of Approximate Computing over the last 10 years, we conduct a two-part survey to cover key aspects (e.g., terminology and applications) and review the state-of-the art approximation techniques from all layers of the traditional computing stack. In Part II of our survey, we classify and present the technical details of application-specific and architectural approximation techniques, which both target the design of resource-efficient processors/accelerators & systems. Moreover, we present a detailed analysis of the application spectrum of Approximate Computing and discuss open challenges and future directions.Comment: Under Review at ACM Computing Survey

Approximate Computing Survey, Part I: Terminology and Software & Hardware Approximation Techniques

The rapid growth of demanding applications in domains applying multimedia processing and machine learning has marked a new era for edge and cloud computing. These applications involve massive data and compute-intensive tasks, and thus, typical computing paradigms in embedded systems and data centers are stressed to meet the worldwide demand for high performance. Concurrently, the landscape of the semiconductor field in the last 15 years has constituted power as a first-class design concern. As a result, the community of computing systems is forced to find alternative design approaches to facilitate high-performance and/or power-efficient computing. Among the examined solutions, Approximate Computing has attracted an ever-increasing interest, with research works applying approximations across the entire traditional computing stack, i.e., at software, hardware, and architectural levels. Over the last decade, there is a plethora of approximation techniques in software (programs, frameworks, compilers, runtimes, languages), hardware (circuits, accelerators), and architectures (processors, memories). The current article is Part I of our comprehensive survey on Approximate Computing, and it reviews its motivation, terminology and principles, as well it classifies and presents the technical details of the state-of-the-art software and hardware approximation techniques.Comment: Under Review at ACM Computing Survey

Heterogeneous parallel virtual machine: A portable program representation and compiler for performance and energy optimizations on heterogeneous parallel systems

Programming heterogeneous parallel systems, such as the SoCs (System-on-Chip) on mobile and edge devices is extremely difficult; the diverse parallel hardware they contain exposes vastly different hardware instruction sets, parallelism models and memory systems. Moreover, a wide range of diverse hardware and software approximation techniques are available for applications targeting heterogeneous SoCs, further exacerbating the programmability challenges. In this thesis, we alleviate the programmability challenges of such systems using flexible compiler intermediate representation solutions, in order to benefit from the performance and superior energy efficiency of heterogeneous systems. First, we develop Heterogeneous Parallel Virtual Machine (HPVM), a parallel program representation for heterogeneous systems, designed to enable functional and performance portability across popular parallel hardware. HPVM is based on a hierarchical dataflow graph with side effects. HPVM successfully supports three important capabilities for programming heterogeneous systems: a compiler intermediate representation (IR), a virtual instruction set (ISA), and a basis for runtime scheduling. We use the HPVM representation to implement an HPVM prototype, defining the HPVM IR as an extension of the Low Level Virtual Machine (LLVM) IR. Our results show comparable performance with optimized OpenCL kernels for the target hardware from a single HPVM representation using translators from HPVM virtual ISA to native code, IR optimizations operating directly on the HPVM representation, and the capability for supporting flexible runtime scheduling schemes from a single HPVM representation. We extend HPVM to ApproxHPVM, introducing hardware-independent approximation metrics in the IR to enable maintaining accuracy information at the IR level and mapping of application-level end-to-end quality metrics to system level "knobs". The approximation metrics quantify the acceptable accuracy loss for individual computations. Application programmers only need to specify high-level, and end-to-end, quality metrics, instead of detailed parameters for individual approximation methods. The ApproxHPVM system then automatically tunes the accuracy requirements of individual computations and maps them to approximate hardware when possible. ApproxHPVM results show significant performance and energy improvements for popular deep learning benchmarks. Finally, we extend to ApproxHPVM to ApproxTuner, a compiler and runtime system for approximation. ApproxTuner extends ApproxHPVM with a wide range of hardware and software approximation techniques. It uses a three step approximation tuning strategy, a combination of development-time, install-time, and dynamic tuning. Our strategy ensures software portability, even though approximations have highly hardware-dependent performance, and enables efficient dynamic approximation tuning despite the expensive offline steps. ApproxTuner results show significant performance and energy improvements across 7 Deep Neural Networks and 3 image processing benchmarks, and ensures that high-level end-to-end quality specifications are satisfied during adaptive approximation tuning