NullHop: A Flexible Convolutional Neural Network Accelerator Based on Sparse Representations of Feature Maps

Convolutional neural networks (CNNs) have become the dominant neural network architecture for solving many state-of-the-art (SOA) visual processing tasks. Even though Graphical Processing Units (GPUs) are most often used in training and deploying CNNs, their power efficiency is less than 10 GOp/s/W for single-frame runtime inference. We propose a flexible and efficient CNN accelerator architecture called NullHop that implements SOA CNNs useful for low-power and low-latency application scenarios. NullHop exploits the sparsity of neuron activations in CNNs to accelerate the computation and reduce memory requirements. The flexible architecture allows high utilization of available computing resources across kernel sizes ranging from 1x1 to 7x7. NullHop can process up to 128 input and 128 output feature maps per layer in a single pass. We implemented the proposed architecture on a Xilinx Zynq FPGA platform and present results showing how our implementation reduces external memory transfers and compute time in five different CNNs ranging from small ones up to the widely known large VGG16 and VGG19 CNNs. Post-synthesis simulations using Mentor Modelsim in a 28nm process with a clock frequency of 500 MHz show that the VGG19 network achieves over 450 GOp/s. By exploiting sparsity, NullHop achieves an efficiency of 368%, maintains over 98% utilization of the MAC units, and achieves a power efficiency of over 3TOp/s/W in a core area of 6.3mm$^2$. As further proof of NullHop's usability, we interfaced its FPGA implementation with a neuromorphic event camera for real time interactive demonstrations

Resource Management for Edge Computing in Internet of Things (IoT)

Die große Anzahl an Geräten im Internet der Dinge (IoT) und deren kontinuierliche Datensammlungen führen zu einem rapiden Wachstum der gesammelten Datenmenge. Die Daten komplett mittels zentraler Cloud Server zu verarbeiten ist ineffizient und zum Teil sogar unmöglich oder unnötig. Darum wird die Datenverarbeitung an den Rand des Netzwerks verschoben, was zu den Konzepten des Edge Computings geführt hat. Informationsverarbeitung nahe an der Datenquelle (z.B. auf Gateways und Edge Geräten) reduziert nicht nur die hohe Arbeitslast zentraler Server und Netzwerke, sondern verringer auch die Latenz für Echtzeitanwendungen, da die potentiell unzuverlässige Kommunikation zu Cloud Servern mit ihrer unvorhersehbaren Netzwerklatenz vermieden wird. Aktuelle IoT Architekturen verwenden Gateways, um anwendungsspezifische Verbindungen zu IoT Geräten herzustellen. In typischen Konfigurationen teilen sich mehrere IoT Edge Geräte ein IoT Gateway. Wegen der begrenzten verfügbaren Bandbreite und Rechenkapazität eines IoT Gateways muss die Servicequalität (SQ) der verbundenen IoT Edge Geräte über die Zeit angepasst werden. Nicht nur um die Anforderungen der einzelnen Nutzer der IoT Geräte zu erfüllen, sondern auch um die SQBedürfnisse der anderen IoT Edge Geräte desselben Gateways zu tolerieren. Diese Arbeit untersucht zuerst essentielle Technologien für IoT und existierende Trends. Dabei werden charakteristische Eigenschaften von IoT für die Embedded Domäne, sowie eine umfassende IoT Perspektive für Eingebettete Systeme vorgestellt. Mehrere Anwendungen aus dem Gesundheitsbereich werden untersucht und implementiert, um ein Model für deren Datenverarbeitungssoftware abzuleiten. Dieses Anwendungsmodell hilft bei der Identifikation verschiedener Betriebsmodi. IoT Systeme erwarten von den Edge Geräten, dass sie mehrere Betriebsmodi unterstützen, um sich während des Betriebs an wechselnde Szenarien anpassen zu können. Z.B. Energiesparmodi bei geringen Batteriereserven trotz gleichzeitiger Aufrechterhaltung der kritischen Funktionalität oder einen Modus, um die Servicequalität auf Wunsch des Nutzers zu erhöhen etc. Diese Modi verwenden entweder verschiedene Auslagerungsschemata (z.B. die übertragung von Rohdaten, von partiell bearbeiteten Daten, oder nur des finalen Ergebnisses) oder verschiedene Servicequalitäten. Betriebsmodi unterscheiden sich in ihren Ressourcenanforderungen sowohl auf dem Gerät (z.B. Energieverbrauch), wie auch auf dem Gateway (z.B. Kommunikationsbandbreite, Rechenleistung, Speicher etc.). Die Auswahl des besten Betriebsmodus für Edge Geräte ist eine Herausforderung in Anbetracht der begrenzten Ressourcen am Rand des Netzwerks (z.B. Bandbreite und Rechenleistung des gemeinsamen Gateways), diverser Randbedingungen der IoT Edge Geräte (z.B. Batterielaufzeit, Servicequalität etc.) und der Laufzeitvariabilität am Rand der IoT Infrastruktur. In dieser Arbeit werden schnelle und effiziente Auswahltechniken für Betriebsmodi entwickelt und präsentiert. Wenn sich IoT Geräte in der Reichweite mehrerer Gateways befinden, ist die Verwaltung der gemeinsamen Ressourcen und die Auswahl der Betriebsmodi für die IoT Geräte sogar noch komplexer. In dieser Arbeit wird ein verteilter handelsorientierter Geräteverwaltungsmechanismus für IoT Systeme mit mehreren Gateways präsentiert. Dieser Mechanismus zielt auf das kombinierte Problem des Bindens (d.h. ein Gateway für jedes IoT Gerät bestimmen) und der Allokation (d.h. die zugewiesenen Ressourcen für jedes Gerät bestimmen) ab. Beginnend mit einer initialen Konfiguration verhandeln und kommunizieren die Gateways miteinander und migrieren IoT Geräte zwischen den Gateways, wenn es den Nutzen für das Gesamtsystem erhöht. In dieser Arbeit werden auch anwendungsspezifische Optimierungen für IoT Geräte vorgestellt. Drei Anwendungen für den Gesundheitsbereich wurden realisiert und für tragbare IoT Geräte untersucht. Es wird auch eine neuartige Kompressionsmethode vorgestellt, die speziell für IoT Anwendungen geeignet ist, die Bio-Signale für Gesundheitsüberwachungen verarbeiten. Diese Technik reduziert die zu übertragende Datenmenge des IoT Gerätes, wodurch die Ressourcenauslastung auf dem Gerät und dem gemeinsamen Gateway reduziert wird. Um die vorgeschlagenen Techniken und Mechanismen zu evaluieren, wurden einige Anwendungen auf IoT Plattformen untersucht, um ihre Parameter, wie die Ausführungszeit und Ressourcennutzung, zu bestimmen. Diese Parameter wurden dann in einem Rahmenwerk verwendet, welches das IoT Netzwerk modelliert, die Interaktion zwischen Geräten und Gateway erfasst und den Kommunikationsoverhead sowie die erreichte Batterielebenszeit und Servicequalität der Geräte misst. Die Algorithmen zur Auswahl der Betriebsmodi wurden zusätzlich auf IoT Plattformen implementiert, um ihre Overheads bzgl. Ausführungszeit und Speicherverbrauch zu messen

GREEN RADIO COMMUNICATIONS IN 5G NETWORKS TO IMPROVE ENERGY EFFICIENCY AND REDUCE GLOBAL WARMING

The technology of green radio communication helps in reducing the emission of carbon and also helps in the process of reducing the consumption of energy by the base stations of wireless networks. In addition to that, with the help of tools such as Information Communication Technology (ICT) and Multi-Hop Relay Network (MHR), the functionalities and the operational attributes of the technology of green radio communication can be improved and the process of energy consumption gets better as well. It is found from the discussion that green networking technology has mainly two core components and the two core components are energy awareness and energy efficiency. The ability of the network to measure the cost per packet is called energy awareness. On the other hand, the ability of a network to decrease the contribution of carbon and extend the lifetime of the network can be called energy efficiency. In addition, the implementation of the technology of green radio communication helps in mitigating the issue of future energy crises. Additionally, it has also been understood that Green communication in terms of energy efficiency can help IT industry which has been extensively criticised for the contribution of the carbon emissions as well as the failure to respond to the negative impact on the whole climate. In fact, the next generation networks have imposed the challenges in terms of the provision of the energy efficient solutions which are provided and the transportation of the data along with the huge range of the quality of the services requirement as well as the tolerance of lower optimum services.The technology of green radio communication helps in reducing the emission of carbon and also helps in the process of reducing the consumption of energy by the base stations of wireless networks. In addition to that, with the help of tools such as Information Communication Technology (ICT) and Multi-Hop Relay Network (MHR), the functionalities and the operational attributes of the technology of green radio communication can be improved and the process of energy consumption gets better as well. It is found from the discussion that green networking technology has mainly two core components and the two core components are energy awareness and energy efficiency. The ability of the network to measure the cost per packet is called energy awareness. On the other hand, the ability of a network to decrease the contribution of carbon and extend the lifetime of the network can be called energy efficiency. In addition, the implementation of the technology of green radio communication helps in mitigating the issue of future energy crises. Additionally, it has also been understood that Green communication in terms of energy efficiency can help IT industry which has been extensively criticised for the contribution of the carbon emissions as well as the failure to respond to the negative impact on the whole climate. In fact, the next generation networks have imposed the challenges in terms of the provision of the energy efficient solutions which are provided and the transportation of the data along with the huge range of the quality of the services requirement as well as the tolerance of lower optimum services

Global Congestion and Fault Aware Wireless Interconnection Framework for Multicore Systems

Multicore processors are getting more common in the implementation of all type of computing demands, starting from personal computers to the large server farms for high computational demanding applications. The network-on-chip provides a better alternative to the traditional bus based communication infrastructure for this multicore system. Conventional wire-based NoC interconnect faces constraints due to their long multi-hop latency and high power consumption. Furthermore high traffic generating applications sometimes creates congestion in such system further degrading the systems performance. In this thesis work, a novel two-state congestion aware wireless interconnection framework for network chip is presented. This WiNoC system was designed to able to dynamically redirect traffic to avoid congestion based on network condition information shared among all the core tiles in the system. Hence a novel routing scheme and a two-state MAC protocol is proposed based on a proposed two layer hybrid mesh-based NoC architecture. The underlying mesh network is connected via wired-based interconnect and on top of that a shared wireless interconnect framework is added for single-hop communication. The routing scheme is non-deterministic in nature and utilizes the principles from existing dynamic routing algorithms. The MAC protocol for the wireless interface works in two modes. The first is data mode where a token-based protocol is utilized to transfer core data. And the second mode is the control mode where a broadcast-based communication protocol is used to share the network congestion information. The work details the switching methodology between these two modes and also explain, how the routing scheme utilizes the congestion information (gathered during the control mode) to route data packets during normal operation mode. The proposed work was modeled in a cycle accurate network simulator and its performance were evaluated against traditional NoC and WiNoC designs