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PL-NPU: An Energy-Efficient Edge-Device DNN Training Processor With Posit-Based Logarithm-Domain Computing

计算机科学 数据流 瓶颈 领域(数学分析) 并行计算 计算机硬件 对数 边缘设备 人工神经网络 浮点型 能量(信号处理) 操作数 计算机工程 算法 嵌入式系统 人工智能 数学 操作系统 云计算 统计 数学分析
作者
Yang Wang,Dazheng Deng,Leibo Liu,Shaojun Wei,Shouyi Yin
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:69 (10): 4042-4055 被引量:12
标识
DOI:10.1109/tcsi.2022.3184115
摘要

Edge device deep neural network (DNN) training is practical to improve model adaptivity for unfamiliar datasets while avoiding privacy disclosure and huge communication cost. Nevertheless, apart from feed-forward (FF) as inference, DNN training still requires back-propagation (BP) and weight gradient (WG), introducing power-consuming floating-point computing requirements, hardware underutilization, and energy bottleneck from excessive memory access. This paper proposes a DNN training processor named PL-NPU to solve the above challenges with three innovations. First, a posit-based logarithm-domain processing element (PE) adapts to various training data requirements with a low bit-width format and reduces energy by transferring complicated arithmetics into simple logarithm domain operation. Second, a reconfigurable inter-intra-channel-reuse dataflow dynamically adjusts the PE mapping with a regrouping omega network to improve the operands reuse for higher hardware utilization. Third, a pointed-stake-shaped codec unit adaptively compresses small values to variable-length data format while compressing large values to fixed-length 8b posit format, reducing the memory access for breaking the training energy bottleneck. Simulated with 28nm CMOS technology, the proposed PL-NPU achieves a maximum frequency of 1040MHz with 343mW and 5.28mm $\mathbf {^{2}}$ . The peak energy efficiency is 3.87TFLOPS/W for 0.6V at 60MHz. Compared with the state-of-the-art training processor, PL-NPU reaches $3.75\times $ higher energy efficiency and offers $1.68\times $ speedup when training ResNet18.

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