Spatial and Temporal Modeling for Human Activity Recognition from Multimodal Sequential Data

Human Activity Recognition (HAR) has been an intense research area for more than a decade. Different sensors, ranging from 2D and 3D cameras to accelerometers, gyroscopes, and magnetometers, have been employed to generate multimodal signals to detect various human activities. With the advancement of sensing technology and the popularity of mobile devices, depth cameras and wearable devices, such as Microsoft Kinect and smart wristbands, open a unprecedented opportunity to solve the challenging HAR problem by learning expressive representations from the multimodal signals recording huge amounts of daily activities which comprise a rich set of categories. Although competitive performance has been reported, existing methods focus on the statistical or spatial representation of the human activity sequence; while the internal temporal dynamics of the human activity sequence are not sufficiently exploited. As a result, they often face the challenge of recognizing visually similar activities composed of dynamic patterns in different temporal order. In addition, many model-driven methods based on sophisticated features and carefully-designed classifiers are computationally demanding and unable to scale to a large dataset. In this dissertation, we propose to address these challenges from three different perspectives; namely, 3D spatial relationship modeling, dynamic temporal quantization, and temporal order encoding. We propose a novel octree-based algorithm for computing the 3D spatial relationships between objects from a 3D point cloud captured by a Kinect sensor. A set of 26 3D spatial directions are defined to describe the spatial relationship of an object with respect to a reference object. These 3D directions are implemented as a set of spatial operators, such as AboveSouthEast and BelowNorthWest, of an event query language to query human activities in an indoor environment; for example, A person walks in the hallway from north to south. The performance is quantitatively evaluated in a public RGBD object dataset and qualitatively investigated in a live video computing platform. In order to address the challenge of temporal modeling in human action recognition, we introduce the dynamic temporal quantization, a clustering-like algorithm to quantize human action sequences of varied lengths into fixed-size quantized vectors. A two-step optimization algorithm is proposed to jointly optimize the quantization of the original sequence. In the aggregation step, frames falling into the sample segment are aggregated by max-polling and produce the quantized representation of the segment. During the assignment step, frame-segment assignment is updated according to dynamic time warping, while the temporal order of the entire sequence is preserved. The proposed technique is evaluated on three public 3D human action datasets and achieves state-of-the-art performance. Finally, we propose a novel temporal order encoding approach that models the temporal dynamics of the sequential data for human activity recognition. The algorithm encodes the temporal order of the latent patterns extracted by the subspace projection and generates a highly compact First-Take-All (FTA) feature vector representing the entire sequential data. An optimization algorithm is further introduced to learn the optimized projections in order to increase the discriminative power of the FTA feature. The compactness of the FTA feature makes it extremely efficient for human activity recognition with nearest neighbor search based on Hamming distance. Experimental results on two public human activity datasets demonstrate the advantages of the FTA feature over state-of-the-art methods in both accuracy and efficiency

Sensing and Signal Processing in Smart Healthcare

In the last decade, we have witnessed the rapid development of electronic technologies that are transforming our daily lives. Such technologies are often integrated with various sensors that facilitate the collection of human motion and physiological data and are equipped with wireless communication modules such as Bluetooth, radio frequency identification, and near-field communication. In smart healthcare applications, designing ergonomic and intuitive human–computer interfaces is crucial because a system that is not easy to use will create a huge obstacle to adoption and may significantly reduce the efficacy of the solution. Signal and data processing is another important consideration in smart healthcare applications because it must ensure high accuracy with a high level of confidence in order for the applications to be useful for clinicians in making diagnosis and treatment decisions. This Special Issue is a collection of 10 articles selected from a total of 26 contributions. These contributions span the areas of signal processing and smart healthcare systems mostly contributed by authors from Europe, including Italy, Spain, France, Portugal, Romania, Sweden, and Netherlands. Authors from China, Korea, Taiwan, Indonesia, and Ecuador are also included

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

BRUISE DETECTION IN APPLES USING 3D INFRARED IMAGING AND MACHINE LEARNING TECHNOLOGIES

Bruise detection plays an important role in fruit grading. A bruise detection system capable of finding and removing damaged products on the production lines will distinctly improve the quality of fruits for sale, and consequently improve the fruit economy. This dissertation presents a novel automatic detection system based on surface information obtained from 3D near-infrared imaging technique for bruised apple identification. The proposed 3D bruise detection system is expected to provide better performance in bruise detection than the existing 2D systems. We first propose a mesh denoising filter to reduce noise effect while preserving the geometric features of the meshes. Compared with several existing mesh denoising filters, the proposed filter achieves better performance in reducing noise effect as well as preserving bruised regions in 3D meshes of bruised apples. Next, we investigate two different machine learning techniques for the identification of bruised apples. The first technique is to extract hand-crafted feature from 3D meshes, and train a predictive classifier based on hand-crafted features. It is shown that the predictive model trained on the proposed hand-crafted features outperforms the same models trained on several other local shape descriptors. The second technique is to apply deep learning to learn the feature representation automatically from the mesh data, and then use the deep learning model or a new predictive model for the classification. The optimized deep learning model achieves very high classification accuracy, and it outperforms the performance of the detection system based on the proposed hand-crafted features. At last, we investigate GPU techniques for accelerating the proposed apple bruise detection system. Specifically, the dissertation proposes a GPU framework, implemented in CUDA, for the acceleration of the algorithm that extracts vertex-based local binary patterns. Experimental results show that the proposed GPU program speeds up the process of extracting local binary patterns by 5 times compared to a single-core CPU program

FIAS Scientific Report 2011

In the year 2010 the Frankfurt Institute for Advanced Studies has successfully continued to follow its agenda to pursue theoretical research in the natural sciences. As stipulated in its charter, FIAS closely collaborates with extramural research institutions, like the Max Planck Institute for Brain Research in Frankfurt and the GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research, Darmstadt and with research groups at the science departments of Goethe University. The institute also engages in the training of young researchers and the education of doctoral students. This Annual Report documents how these goals have been pursued in the year 2010. Notable events in the scientific life of the Institute will be presented, e.g., teaching activities in the framework of the Frankfurt International Graduate School for Science (FIGSS), colloquium schedules, conferences organized by FIAS, and a full bibliography of publications by authors affiliated with FIAS. The main part of the Report consists of short one-page summaries describing the scientific progress reached in individual research projects in the year 2010..

Enhancing productivity and performance portability of opencl applications on heterogeneous systems using runtime optimizations

Initially driven by a strong need for increased computational performance in science and engineering, heterogeneous systems have become ubiquitous and they are getting increasingly complex. The single processor era has been replaced with multi-core processors, which have quickly been surrounded by satellite devices aiming to increase the throughput of the entire system. These auxiliary devices, such as Graphics Processing Units, Field Programmable Gate Arrays or other specialized processors have very different architectures. This puts an enormous strain on programming models and software developers to take full advantage of the computing power at hand. Because of this diversity and the unachievable flexibility and portability necessary to optimize for each target individually, heterogeneous systems remain typically vastly under-utilized. In this thesis, we explore two distinct ways to tackle this problem. Providing automated, non intrusive methods in the form of compiler tools and implementing efficient abstractions to automatically tune parameters for a restricted domain are two complementary approaches investigated to better utilize compute resources in heterogeneous systems. First, we explore a fully automated compiler based approach, where a runtime system analyzes the computation flow of an OpenCL application and optimizes it across multiple compute kernels. This method can be deployed on any existing application transparently and replaces significant software engineering effort spent to tune application for a particular system. We show that this technique achieves speedups of up to 3x over unoptimized code and an average of 1.4x over manually optimized code for highly dynamic applications. Second, a library based approach is designed to provide a high level abstraction for complex problems in a specific domain, stencil computation. Using domain specific techniques, the underlying framework optimizes the code aggressively. We show that even in a restricted domain, automatic tuning mechanisms and robust architectural abstraction are necessary to improve performance. Using the abstraction layer, we demonstrate strong scaling of various applications to multiple GPUs with a speedup of up to 1.9x on two GPUs and 3.6x on four

Compiler-centric across-stack deep learning acceleration

Optimizing the deployment of Deep Neural Networks (DNNs) is hard. Despite deep learning approaches increasingly providing state-of-the-art solutions to a variety of difficult problems, such as computer vision and natural language processing, DNNs can be prohibitively expensive, for example, in terms of inference time or memory usage. Effective exploration of the design space requires a holistic approach, including a range of topics from machine learning, systems, and hardware. The rapid proliferation of deep learning applications has raised demand for efficient exploration and acceleration of deep learning based solutions. However, managing the range of optimization techniques, as well as how they interact with each other across the stack is a non-trivial task. A family of emerging specialized compilers for deep learning, tensor compilers, appear to be a strong candidate to help manage the complexity of across-stack optimization choices, and enable new approaches. This thesis presents new techniques and explorations of the Deep Learning Acceleration Stack (DLAS), with the perspective that the tensor compiler will increasingly be the center of this stack. First, we motivate the challenges in exploring DLAS, by describing the experience of running a perturbation study varying parameters at every layer of the stack. The core of the study is implemented using a tensor compiler, which reduces the complexity of evaluating the wide range of variants, although still requires a significant engineering effort to realize. Next, we develop a new algorithm for grouped convolution, a model optimization technique for which existing solutions provided poor inference time scaling. We implement and optimize our algorithm using a tensor compiler, outperforming existing approaches by 5.1× on average (arithmetic mean). Finally, we propose a technique, transfer-tuning, to reduce the search time required for automatic tensor compiler code optimization, reducing the search time required by 6.5× on average. The techniques and contributions of this thesis across these interconnected domains demonstrate the exciting potential of tensor compilers to simplify and improve design space exploration for DNNs, and their deployment. The outcomes of this thesis enable new lines of research to enable machine learning developers to keep up with the rapidly evolving landscape of neural architectures and hardware

Towards Efficient Hardware Acceleration of Deep Neural Networks on FPGA

Deep neural network (DNN) has achieved remarkable success in many applications because of its powerful capability for data processing. Their performance in computer vision have matched and in some areas even surpassed human capabilities. Deep neural networks can capture complex nonlinear features; however this ability comes at the cost of high computational and memory requirements. State-of-art networks require billions of arithmetic operations and millions of parameters. The brute-force computing model of DNN often requires extremely large hardware resources, introducing severe concerns on its scalability running on traditional von Neumann architecture. The well-known memory wall, and latency brought by the long-range connectivity and communication of DNN severely constrain the computation efficiency of DNN. The acceleration techniques of DNN, either software or hardware, often suffer from poor hardware execution efficiency of the simplified model (software), or inevitable accuracy degradation and limited supportable algorithms (hardware), respectively. In order to preserve the inference accuracy and make the hardware implementation in a more efficient form, a close investigation to the hardware/software co-design methodologies for DNNs is needed. The proposed work first presents an FPGA-based implementation framework for Recurrent Neural Network (RNN) acceleration. At architectural level, we improve the parallelism of RNN training scheme and reduce the computing resource requirement for computation efficiency enhancement. The hardware implementation primarily targets at reducing data communication load. Secondly, we propose a data locality-aware sparse matrix and vector multiplication (SpMV) kernel. At software level, we reorganize a large sparse matrix into many modest-sized blocks by adopting hypergraph-based partitioning and clustering. Available hardware constraints have been taken into consideration for the memory allocation and data access regularization. Thirdly, we present a holistic acceleration to sparse convolutional neural network (CNN). During network training, the data locality is regularized to ease the hardware mapping. The distributed architecture enables high computation parallelism and data reuse. The proposed research results in an hardware/software co-design methodology for fast and accurate DNN acceleration, through the innovations in algorithm optimization, hardware implementation, and the interactive design process across these two domains

Doctor of Philosophy

dissertationDeep Neural Networks (DNNs) are the state-of-art solution in a growing number of tasks including computer vision, speech recognition, and genomics. However, DNNs are computationally expensive as they are carefully trained to extract and abstract features from raw data using multiple layers of neurons with millions of parameters. In this dissertation, we primarily focus on inference, e.g., using a DNN to classify an input image. This is an operation that will be repeatedly performed on billions of devices in the datacenter, in self-driving cars, in drones, etc. We observe that DNNs spend a vast majority of their runtime to runtime performing matrix-by-vector multiplications (MVM). MVMs have two major bottlenecks: fetching the matrix and performing sum-of-product operations. To address these bottlenecks, we use in-situ computing, where the matrix is stored in programmable resistor arrays, called crossbars, and sum-of-product operations are performed using analog computing. In this dissertation, we propose two hardware units, ISAAC and Newton.In ISAAC, we show that in-situ computing designs can outperform DNN digital accelerators, if they leverage pipelining, smart encodings, and can distribute a computation in time and space, within crossbars, and across crossbars. In the ISAAC design, roughly half the chip area/power can be attributed to the analog-to-digital conversion (ADC), i.e., it remains the key design challenge in mixed-signal accelerators for deep networks. In spite of the ADC bottleneck, ISAAC is able to out-perform the computational efficiency of the state-of-the-art design (DaDianNao) by 8x. In Newton, we take advantage of a number of techniques to address ADC inefficiency. These techniques exploit matrix transformations, heterogeneity, and smart mapping of computation to the analog substrate. We show that Newton can increase the efficiency of in-situ computing by an additional 2x. Finally, we show that in-situ computing, unfortunately, cannot be easily adapted to handle training of deep networks, i.e., it is only suitable for inference of already-trained networks. By improving the efficiency of DNN inference with ISAAC and Newton, we move closer to low-cost deep learning that in turn will have societal impact through self-driving cars, assistive systems for the disabled, and precision medicine

Bioinformatics

This book is divided into different research areas relevant in Bioinformatics such as biological networks, next generation sequencing, high performance computing, molecular modeling, structural bioinformatics, molecular modeling and intelligent data analysis. Each book section introduces the basic concepts and then explains its application to problems of great relevance, so both novice and expert readers can benefit from the information and research works presented here