神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種流行的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，但它們需要更高的能耗和更復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)。隨機(jī)計(jì)算是平衡硬件效率和計(jì)算性能之間權(quán)衡的一種有效方式。然而，由于算術(shù)單元的低數(shù)據(jù)精度和不準(zhǔn)確性，隨機(jī)計(jì)算見證了 ML 工作負(fù)載的低準(zhǔn)確性。

為了解決與傳統(tǒng)隨機(jī)計(jì)算方法相關(guān)的問題，并通過更高的精度和更低的功耗來提高性能，正在進(jìn)行的研究提出了一種改進(jìn)的基于塊的隨機(jī)計(jì)算架構(gòu)。通過在輸入層中引入塊，可以通過利用高數(shù)據(jù)并行性來減少延遲。更重要的是確定全局優(yōu)化方法所需要的塊數(shù)。

現(xiàn)有的方法包括增加比特流的長度以提高數(shù)據(jù)精度，甚至使用指數(shù)比特來獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。然而，這引入了較長的計(jì)算延遲，這對(duì)于 TinyML 應(yīng)用程序來說是不合理的。因此，為了應(yīng)對(duì)這種不斷上升的計(jì)算延遲，比特流被分成塊然后并行執(zhí)行。結(jié)合塊內(nèi)算術(shù)單元和輸出修正 （OUR） 方案可緩解塊間不準(zhǔn)確問題，從而提供高計(jì)算效率。

基于塊的隨機(jī)計(jì)算架構(gòu)

研究提供了一種新穎的架構(gòu)，其中輸入被劃分為塊并使用優(yōu)化的塊內(nèi)算術(shù)單元并行執(zhí)行乘法和加法。此外，在 TinyML 應(yīng)用程序的延遲-功耗權(quán)衡方面，所提出的模型是一個(gè)出色的架構(gòu)。

架構(gòu)劃分如下：

塊劃分

如上圖所示，輸入比特流被劃分為“k”個(gè)值塊。所提出的想法是，為比特流選擇大量塊并不能保證是最佳的，但可以用于接近近似值。如果在選擇塊數(shù)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，這可能會(huì)自相矛盾地導(dǎo)致大錯(cuò)誤。在確定來自輸入比特流的正和負(fù)部分的兩個(gè)平均值的概率方面存在復(fù)雜的計(jì)算。

塊內(nèi)計(jì)算

緩解了傳統(tǒng)加法器面臨的OR加法器相關(guān)問題和分離加法器溢出問題。新修改的架構(gòu)設(shè)計(jì)在輸入之間帶有 XNOR+AND 門，以消除雙極計(jì)算的相關(guān)性。

每個(gè)輸入位都在并行計(jì)數(shù)器 （PC） 中獲取，對(duì)于正負(fù)部分 （Ap， An） 分別進(jìn)行處理。有兩個(gè)專用累加器用于處理有符號(hào)位。取輸入位后，累加器之間發(fā)生減法，如正負(fù)部分所示。目標(biāo)是獲得所有輸入的累積 1 的數(shù)量。進(jìn)一步地，比較取時(shí)間輸出（Sop，Son）中的一位，在多個(gè)“n”個(gè)循環(huán)之后，計(jì)算符號(hào)位，并根據(jù)符號(hào)位Ap和An，選擇Sop和Son的輸出結(jié)果。

這種新的基于累加器的符號(hào)幅度格式加法器利用 unNSADD 加法器來比較輸出和輸入中的實(shí)際累加 1 以確定輸出位。這種方法消除了相關(guān)性和快速溢出問題的影響。

塊間??輸出修正方案

盡管塊內(nèi)加法器解決了相關(guān)性和溢出問題，但塊劃分引入了新的塊間不準(zhǔn)確錯(cuò)誤。乘法器不會(huì)發(fā)生這種情況，因?yàn)檩斎胧?XNORed 和 ANDed。但是對(duì)于加法器，輸出中 1 的數(shù)量可能會(huì)偏離所產(chǎn)生的不準(zhǔn)確性。輸出修訂方案在并行塊內(nèi)計(jì)算階段之后添加或刪除 1s，而不會(huì)引入任何額外的延遲來解決這些塊間不準(zhǔn)確錯(cuò)誤。

新穎的基于塊的隨機(jī)計(jì)算架構(gòu)旨在提高隨機(jī)計(jì)算運(yùn)算電路的精度，同時(shí)降低計(jì)算延遲和能源效率。根據(jù)研究結(jié)果，該方法比現(xiàn)有方法的準(zhǔn)確度提高了 10% 以上，并節(jié)省了 6 倍以上的功率。

審核編輯：郭婷