Energy-efficient embedded machine learning algorithms for smart sensing systems

Embedded autonomous electronic systems are required in numerous application domains such as Internet of Things (IoT), wearable devices, and biomedical systems. Embedded electronic systems usually host sensors, and each sensor hosts multiple input channels (e.g., tactile, vision), tightly coupled to the electronic computing unit (ECU). The ECU extracts information by often employing sophisticated methods, e.g., Machine Learning. However, embedding Machine Learning algorithms poses essential challenges in terms of hardware resources and energy consumption because of: 1) the high amount of data to be processed; 2) computationally demanding methods. Leveraging on the trade-off between quality requirements versus computational complexity and time latency could reduce the system complexity without affecting the performance. The objectives of the thesis are to develop: 1) energy-efficient arithmetic circuits outperforming state of the art solutions for embedded machine learning algorithms, 2) an energy-efficient embedded electronic system for the \u201celectronic-skin\u201d (e-skin) application. As such, this thesis exploits two main approaches: Approximate Computing: In recent years, the approximate computing paradigm became a significant major field of research since it is able to enhance the energy efficiency and performance of digital systems. \u201cApproximate Computing\u201d(AC) turned out to be a practical approach to trade accuracy for better power, latency, and size . AC targets error-resilient applications and offers promising benefits by conserving some resources. Usually, approximate results are acceptable for many applications, e.g., tactile data processing,image processing , and data mining ; thus, it is highly recommended to take advantage of energy reduction with minimal variation in performance . In our work, we developed two approximate multipliers: 1) the first one is called \u201cMETA\u201d multiplier and is based on the Error Tolerant Adder (ETA), 2) the second one is called \u201cApproximate Baugh-Wooley(BW)\u201d multiplier where the approximations are implemented in the generation of the partial products. We showed that the proposed approximate arithmetic circuits could achieve a relevant reduction in power consumption and time delay around 80.4% and 24%, respectively, with respect to the exact BW multiplier. Next, to prove the feasibility of AC in real world applications, we explored the approximate multipliers on a case study as the e-skin application. The e-skin application is defined as multiple sensing components, including 1) structural materials, 2) signal processing, 3) data acquisition, and 4) data processing. Particularly, processing the originated data from the e-skin into low or high-level information is the main problem to be addressed by the embedded electronic system. Many studies have shown that Machine Learning is a promising approach in processing tactile data when classifying input touch modalities. In our work, we proposed a methodology for evaluating the behavior of the system when introducing approximate arithmetic circuits in the main stages (i.e., signal and data processing stages) of the system. Based on the proposed methodology, we first implemented the approximate multipliers on the low-pass Finite Impulse Response (FIR) filter in the signal processing stage of the application. We noticed that the FIR filter based on (Approx-BW) outperforms state of the art solutions, while respecting the tradeoff between accuracy and power consumption, with an SNR degradation of 1.39dB. Second, we implemented approximate adders and multipliers respectively into the Coordinate Rotational Digital Computer (CORDIC) and the Singular Value Decomposition (SVD) circuits; since CORDIC and SVD take a significant part of the computationally expensive Machine Learning algorithms employed in tactile data processing. We showed benefits of up to 21% and 19% in power reduction at the cost of less than 5% accuracy loss for CORDIC and SVD circuits when scaling the number of approximated bits. 2) Parallel Computing Platforms (PCP): Exploiting parallel architectures for near-threshold computing based on multi-core clusters is a promising approach to improve the performance of smart sensing systems. In our work, we exploited a novel computing platform embedding a Parallel Ultra Low Power processor (PULP), called \u201cMr. Wolf,\u201d for the implementation of Machine Learning (ML) algorithms for touch modalities classification. First, we tested the ML algorithms at the software level; for RGB images as a case study and tactile dataset, we achieved accuracy respectively equal to 97% and 83.5%. After validating the effectiveness of the ML algorithm at the software level, we performed the on-board classification of two touch modalities, demonstrating the promising use of Mr. Wolf for smart sensing systems. Moreover, we proposed a memory management strategy for storing the needed amount of trained tensors (i.e., 50 trained tensors for each class) in the on-chip memory. We evaluated the execution cycles for Mr. Wolf using a single core, 2 cores, and 3 cores, taking advantage of the benefits of the parallelization. We presented a comparison with the popular low power ARM Cortex-M4F microcontroller employed, usually for battery-operated devices. We showed that the ML algorithm on the proposed platform runs 3.7 times faster than ARM Cortex M4F (STM32F40), consuming only 28 mW. The proposed platform achieves 15 7 better energy efficiency than the classification done on the STM32F40, consuming 81mJ per classification and 150 pJ per operation

CAMAC bulletin: A publication of the ESONE Committee Issue #14 December 1975 [last pub. of series]

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An Experimental Study of Reduced-Voltage Operation in Modern FPGAs for Neural Network Acceleration

We empirically evaluate an undervolting technique, i.e., underscaling the circuit supply voltage below the nominal level, to improve the power-efficiency of Convolutional Neural Network (CNN) accelerators mapped to Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Undervolting below a safe voltage level can lead to timing faults due to excessive circuit latency increase. We evaluate the reliability-power trade-off for such accelerators. Specifically, we experimentally study the reduced-voltage operation of multiple components of real FPGAs, characterize the corresponding reliability behavior of CNN accelerators, propose techniques to minimize the drawbacks of reduced-voltage operation, and combine undervolting with architectural CNN optimization techniques, i.e., quantization and pruning. We investigate the effect of environmental temperature on the reliability-power trade-off of such accelerators. We perform experiments on three identical samples of modern Xilinx ZCU102 FPGA platforms with five state-of-the-art image classification CNN benchmarks. This approach allows us to study the effects of our undervolting technique for both software and hardware variability. We achieve more than 3X power-efficiency (GOPs/W) gain via undervolting. 2.6X of this gain is the result of eliminating the voltage guardband region, i.e., the safe voltage region below the nominal level that is set by FPGA vendor to ensure correct functionality in worst-case environmental and circuit conditions. 43% of the power-efficiency gain is due to further undervolting below the guardband, which comes at the cost of accuracy loss in the CNN accelerator. We evaluate an effective frequency underscaling technique that prevents this accuracy loss, and find that it reduces the power-efficiency gain from 43% to 25%.Comment: To appear at the DSN 2020 conferenc

CAMAC bulletin: A publication of the ESONE Committee Issue #12 April 1975

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CAMAC bulletin: A publication of the ESONE Committee Issue #13 September 1975

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CAMAC bulletin: A publication of the ESONE Committee Issue #5 November 1972

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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

Improving the Hardware Performance of Arithmetic Circuits using Approximate Computing

An application that can produce a useful result despite some level of computational error is said to be error resilient. Approximate computing can be applied to error resilient applications by intentionally introducing error to the computation in order to improve performance, and it has been shown that approximation is especially well-suited for application in arithmetic computing hardware. In this thesis, novel approximate arithmetic architectures are proposed for three different operations, namely multiplication, division, and the multiply accumulate (MAC) operation. For all designs, accuracy is evaluated in terms of mean relative error distance (MRED) and normalized mean error distance (NMED), while hardware performance is reported in terms of critical path delay, area, and power consumption. Three approximate Booth multipliers (ABM-M1, ABM-M2, ABM-M3) are designed in which two novel inexact partial product generators are used to reduce the dimensions of the partial product matrix. The proposed multipliers are compared to other state-of-the-art designs in terms of both accuracy and hardware performance, and are found to reduce power consumption by up to 56% when compared to the exact multiplier. The function of the multipliers is verified in several image processing applications. Two approximate restoring dividers (AXRD-M1, AXRD-M2) are proposed along with a novel inexact restoring divider cell. In the first divider, the conventional cells are replaced with the proposed inexact cells in several columns. The second divider computes only a subset of the trial subtractions, after which the divisor and partial remainder are rounded and encoded so that they may be used to estimate the remaining quotient bits. The proposed dividers are evaluated for accuracy and hardware performance alongside several benchmarking designs, and their function is verified using change detection and foreground extraction applications. An approximate MAC unit is presented in which the multiplication is implemented using a modified version of ABM-M3. The delay is reduced by using a fused architecture where the accumulator is summed as part of the multiplier compression. The accuracy and hardware savings of the MAC unit are measured against several works from the literature, and the design is utilized in a number of convolution operations

Digital Processing of Electron Energy Loss Spectra and Images

Processing in electron energy loss spectroscopy involves both data acquisition and analysis. The interface of an analytical electron microscope to a laboratory computer with a satellite microcomputer dedicated to data acquisition results in a system with a high degree of flexibility. In spectrum acquisition, channels may be selected around specific core edges, or dwell times may be varied continuously as a function of energy loss to reduce the dynamic range of the signal. Data transfer to the host computer allows further analysis such as the removal of plural scattering by spectral deconvolution. Elemental maps and line-scans can be recorded with real-time processing of energy loss data at each pixel. Images may be analyzed to provide quantitative information by means of pixel intensity histograms. If parameters for the background are stored at each pixel, the image data may sometimes be further processed to improve the signal-to-noise ratio

CAMAC bulletin: A publication of the ESONE Committee Issue #4 July 1972

CAMAC is a means of interconnecting many peripheral devices through a digital data highway to a data processing device such as a computer