The Quest for Reliable AI Accelerators: Cross-Layer Evaluation and Design Optimization

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作者
Meng Li,Tong Xie,Zuodong Zhang,Runsheng Wang
标识
DOI:10.1109/asicon66040.2025.11326137
摘要

As the CMOS technology pushes to the nanoscale, aging effects and process variations have become increasingly pronounced, posing significant reliability challenges for AI accelerators. Traditional guardband-based design approaches, which rely on pessimistic timing margin, sacrifice significant performance and computational efficiency, rendering them in-adequate for high-performance AI computing demands. Current reliability-aware AI accelerator design faces two core challenges: (1) the lack of systematic cross-layer analysis tools to capture coupling reliability effects across device, circuit, architecture, and application layers; and (2) the fundamental trade-off between conventional reliability optimization and computational efficiency. To address these challenges, this paper systematically presents a series of reliability-aware accelerator designs, encompassing (1) aging and variation-aware dynamic timing analyzer, (2) accelerator dataflow optimization using critical input pattern reduction, and (3) resilience characterization and novel architecture design for large language models (LLMs). By tightly integrating cross-layer reliability modeling and AI workload characteristics, these co-optimization approaches effectively achieve reliable and efficient AI acceleration.
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