数据驱动异步专用处理器能效问题研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61902443
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0204.计算机系统结构与硬件技术
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

In the era of big data, computational-intensive and memory-intensive applications, such as deep learning and computer vision, propose multiple challenges of computing power, power consumption, and flexibility for chips. Meanwhile, power consumption of the clock network inherent to synchronous circuits due to clock-driven nature and the redundant power consumption caused by clock switching make energy-efficiency difficult to improve. In this study, the data-driven asynchronous design techniques is introduced into the domain-specific processor, and a representative deep learning processor is used as the research object. From architecture modeling, simulation analysis to prototype verification, the power consumption of clock-driven synchronous specific processor under different size processes is studied, and the power consumption problems caused by the scaling of chip feature size is explored; the energy-efficiency of data-driven asynchronous specific processor under different design parameters is studied, and a hybrid asynchronous handshake protocol and data-driven fine-grained asynchronous pipeline scheme are proposed, the optimization method about energy-efficiency for asynchronous processors and the advantages of data-driven asynchronous specific processors compared to clock-driven synchronous specific processors are explored. The results can be widely used in big data processing fields, such as artificial intelligence. It can provide reference for the popularization of asynchronous specific processor design, and provide a useful reference for breaking through the energy-efficiency bottleneck of computing chip in the post-Moore era.
为了应对大数据时代深度学习、计算机视觉等计算密集型和访存密集型应用对芯片的计算能力、功耗和灵活性的多重挑战,同时解决同步电路受限于时钟驱动本质下与生俱来的时钟网络功耗以及时钟触发引起的冗余功耗导致能效难以提升的问题。本研究将数据驱动异步设计技术融入到领域专用处理器,以新型应用代表深度学习专用处理器作为研究对象。从体系结构建模、仿真分析到原型验证逐步深入,研究不同尺寸工艺下时钟驱动的同步专用处理器时钟网络功耗,探索芯片特征尺寸缩小带来的时钟网络功耗问题;研究数据驱动异步专用处理器在不同设计空间参数下的能效,提出电平型-事件型混合异步握手通信方案、数据驱动细粒度异步流水线方案,探索异步处理器的能效优化方法,探索数据驱动异步专用处理器相比时钟驱动同步专用处理器的优势。成果可广泛应用于人工智能等大数据处理领域,为异步专用处理器设计大众化提供借鉴,为突破后摩尔时代计算芯片的能效瓶颈提供有益参考。

结项摘要

为了满足新型应用对嵌入式处理器性能和功耗的需求,本项目将异步电路设计技术融入到领域专用处理器,以新型应用代表深度学习专用处理器作为研究对象,研究了高效异步电路设计方法学、异步自适应流水线、高能效异步RISC-V处理器架构、高能效异步DNN加速器架构等关键技术。基于FPGA开发板和基于半定制ASIC设计流程对异步RISC-V处理器、异步DNN加速器进行了原型验证和评估。异步RISC-V处理器芯片在面积和性能接近的情况下总功耗仅为同步版本的80%。异步DNN加速器与同步版本DNN加速器相比,获得了2.2倍的高性能和1.59倍的低功耗。项目成果验证了异步电路设计方法高效性及异步专用处理器的高能效,成果可广泛应用于从边缘计算到云计算中心的计算芯片领域。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(8)
专利数量(8)
A Data-Driven Asynchronous Neural Network Accelerator
数据驱动的异步神经网络加速器
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Shanlin Xiao;Weikun Liu;Junshu Lin;Zhiyi Yu
  • 通讯作者:
    Zhiyi Yu
Balancing the Cost and Performance Trade-Offs in SNN Processors
平衡 SNN 处理器的成本和性能权衡
  • DOI:
    10.1109/tcsii.2021.3090422
  • 发表时间:
    2021-09
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Huanliang Zheng;Yuhao Guo;Xingyu Yang;Shanlin Xiao;Zhiyi Yu
  • 通讯作者:
    Zhiyi Yu
An Asynchronous Bundled-Data Template with Current Sensing Completion Detection Technique
具有电流感测完成检测技术的异步捆绑数据模板
  • DOI:
    10.1109/tcsii.2022.3169819
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Yuhao Huang;Shanlin Xiao;Zhiyu Li;Zhiyi Yu
  • 通讯作者:
    Zhiyi Yu
A dual-rail/single-rail hybrid system using null convention logic circuits
使用零约定逻辑电路的双轨/单轨混合系统
  • DOI:
    10.1016/j.mejo.2022.105446
  • 发表时间:
    2022-04
  • 期刊:
    Microelectronics Journal
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Wenzha Yang;Yong Ma;Jiajie Yan;Yang Chen;Shanlin Xiao;Zhiyi Yu
  • 通讯作者:
    Zhiyi Yu
Low-Cost Adaptive Exponential Integrate-and-Fire Neuron Using Stochastic Computing
使用随机计算的低成本自适应指数积分和激发神经元
  • DOI:
    10.1109/tbcas.2020.2995869
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems
  • 影响因子:
    5.1
  • 作者:
    Shanlin Xiao;Wei Liu;Yuhao Guo;Zhiyi Yu
  • 通讯作者:
    Zhiyi Yu

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其他文献

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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