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计算机科学 > 新兴技术

arXiv:2507.01429 (cs)
[提交于 2025年7月2日 ]

标题: 基于赛道存储器的嵌入式系统中用于CNN推理的硬件-软件协同探索内存计算

标题: Hardware-software co-exploration with racetrack memory based in-memory computing for CNN inference in embedded systems

Authors:Benjamin Chen Ming Choong, Tao Luo, Cheng Liu, Bingsheng He, Wei Zhang, Joey Tianyi Zhou
摘要: 深度神经网络生成和处理大量数据,这对资源受限的嵌入式系统构成了挑战。 内存计算已被证明是一种高效的计算基础设施,并在嵌入式人工智能应用中展现出前景。 在新研究的存储技术中,赛道存储是一种非易失性技术,允许高数据密度的制造,使其成为内存计算的良好选择。 然而,将内存内算术电路与存储单元集成会影响内存密度和功耗效率。 在面积和能量限制下,在赛道存储上构建高效的内存内算术电路仍然具有挑战性。 为此,我们提出了一种针对赛道存储优化的高效内存内卷积神经网络(CNN)加速器。 我们设计了一系列适用于乘加操作的内存计算单元的基本算术电路。 此外,我们探索了基于赛道存储系统的设计空间和CNN模型架构,采用协同设计方法在保持模型准确性的同时提高在赛道存储中执行CNN推理的效率和性能。 我们设计的电路和模型-系统协同优化策略实现了小内存银行面积,并显著提升了基于赛道存储的嵌入式系统的能耗和性能。
摘要: Deep neural networks generate and process large volumes of data, posing challenges for low-resource embedded systems. In-memory computing has been demonstrated as an efficient computing infrastructure and shows promise for embedded AI applications. Among newly-researched memory technologies, racetrack memory is a non-volatile technology that allows high data density fabrication, making it a good fit for in-memory computing. However, integrating in-memory arithmetic circuits with memory cells affects both the memory density and power efficiency. It remains challenging to build efficient in-memory arithmetic circuits on racetrack memory within area and energy constraints. To this end, we present an efficient in-memory convolutional neural network (CNN) accelerator optimized for use with racetrack memory. We design a series of fundamental arithmetic circuits as in-memory computing cells suited for multiply-and-accumulate operations. Moreover, we explore the design space of racetrack memory based systems and CNN model architectures, employing co-design to improve the efficiency and performance of performing CNN inference in racetrack memory while maintaining model accuracy. Our designed circuits and model-system co-optimization strategies achieve a small memory bank area with significant improvements in energy and performance for racetrack memory based embedded systems.
主题: 新兴技术 (cs.ET) ; 人工智能 (cs.AI); 硬件架构 (cs.AR)
引用方式: arXiv:2507.01429 [cs.ET]
  (或者 arXiv:2507.01429v1 [cs.ET] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.01429
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)
相关 DOI: https://doi.org/10.1016/j.sysarc.2022.102507
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来自: Benjamin Chen Ming Choong [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 7 月 2 日 07:29:53 UTC (937 KB)
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