Automatizovaný návrh hardwarových akcelerátorů pro strojového učení zohledňující výpočetní zdroje

Název anglicky

Automated design of hardware accelerators for resource-aware machine learning

Typ

grant

Klíčová slova

evoluční algoritmus, hluboká neuronová síť, strojové učení, akcelerátor,
číslicový obvod, příkon, evoluční hardware

Abstrakt

Strojové učení, zejména technologie využívající hluboké neuronové sítě (DNN),
v mnoha oblastech dosahuje a přesahuje schopnosti kvalifikovaných expertů.
Významné využití metod strojového učení je očekáváno v zařízených napájených
bateriemi, kde je kladen důraz na redukci energie a zdrojů na čipu. Současný
přístup k návrhu DNN je založen na polo-automatizovaném zjednodušování DNN, jenž
byla původně vytvořena expertem, který ale jen částečně mohl ovlivnit hardwarové
aspekty její implementace. Cílem projektu je vytvořit a vyhodnotit metodologii
umožňující vysoce automatizovaný návrh obvodových akcelerátorů DNN (a dalších
metod strojového učení), které budou vykazovat vynikající kompromis mezi kvalitou
výstupu, spotřebovanou energií a zdroji na čipu. Navržený přístup je založen na
evolučním návrhu implementací DNN (a dalších vybraných metod strojového učení),
který bude zohledňovat cílovou hardwarovou platformu. Metoda bude vyhodnocena na
standardních úlohách (zejména z oblasti klasifikace obrázků) a také na
automatické detekci Parkinsonovy choroby.

Řešitelé

Sekanina Lukáš, prof. Ing., Ph.D. (UPSY) – hlavní řešitel
Drahošová Michaela, Ing., Ph.D. (UPSY)
Hurta Martin, Ing. (UPSY)
Matoušek Jiří, Ing., Ph.D. (UPSY)
Mrázek Vojtěch, Ing., Ph.D. (UPSY)
Piňos Michal, Ing. (UPSY)
Vašíček Zdeněk, doc. Ing., Ph.D. (UPSY)
Žufan Petr, Ing.

Publikace

2026

CHLEBÍK, J.; JAROŠ, J. Evolutionary Exploration of an Ultrasound Propagation Predictor Neural Net. Brno: 2026. Detail

2024

HUSA, J.; SEKANINA, L. Semantic Mutation Operator for Fast and Efficient Design of Bent Boolean Functions. Genetic Programming and Evolvable Machines, 2024, vol. 25, no. 3, p. 1-32. ISSN: 1389-2576. Detail

2023

GIACOBINI, M.; PAPPA, G.; VAŠÍČEK, Z. Genetic Programming. LNCS 13986. Cham: Springer Verlag, 2023. ISBN: 978-3-031-29572-0. Detail
HURTA, M.; MRÁZEK, V.; DRAHOŠOVÁ, M.; SEKANINA, L. Multi-objective Design of Hardware Accelerators for Levodopa-Induced Dyskinesia Classifiers. Evo* 2023 -- Late-Breaking Abstracts Volume. Brno: 2023. Detail
HURTA, M.; MRÁZEK, V.; DRAHOŠOVÁ, M.; SEKANINA, L. ADEE-LID: Automated Design of Energy-Efficient Hardware Accelerators for Levodopa-Induced Dyskinesia Classifiers. In 2023 Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE). Antwerp: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2023. p. 1-2. ISBN: 978-3-9819263-7-8. Detail
HURTA, M.; MRÁZEK, V.; DRAHOŠOVÁ, M.; SEKANINA, L. MODEE-LID: Multiobjective Design of Energy-Efficient Hardware Accelerators for Levodopa-Induced Dyskinesia Classifiers. In 2023 26th International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits and Systems (DDECS). Tallinn: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2023. p. 155-160. ISBN: 979-8-3503-3277-3. Detail
HUSA, J.; SEKANINA, L. Semantic Mutation Operator for Fast and Efficient Design of Bent Boolean Functions. Evo* 2023 -- Late-Breaking Abstracts Volume. Brno: 2023. Detail
CHLEBÍK, J.; JAROŠ, J. Evolutionary Optimization of a Focused Ultrasound Propagation Predictor Neural Network. GECCO 2023 Companion - Proceedings of the 2023 Genetic and Evolutionary Computation Conference Companion. Lisbon: Association for Computing Machinery, 2023. p. 635-638. ISBN: 979-8-4007-0120-7. Detail
JŮZA, T.; SEKANINA, L. GPAM: Genetic Programming with Associative Memory. In 26th European Conference on Genetic Programming (EuroGP) Held as Part of EvoStar. Lecture Notes in Computer Science. LNCS. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2023. p. 68-83. ISBN: 978-3-031-29572-0. ISSN: 0302-9743. Detail
LOJDA, J.; PÁNEK, R.; SEKANINA, L.; KOTÁSEK, Z. Automated Design and Usage of the Fault-Tolerant Dynamic Partial Reconfiguration Controller for FPGAs. Microelectronics Reliability, 2023, vol. 2023, no. 144, p. 1-16. ISSN: 0026-2714. Detail
MRÁZEK, V. Approximation of Hardware Accelerators driven by Machine-Learning Models. In Proceedings of International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits and Systems (DDECS '23). Tallinn: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2023. p. 91-92. ISBN: 979-8-3503-3277-3. Detail
MRÁZEK, V.; JAWED, S.; ARIF, M.; MALIK, A. Effective EEG Feature Selection for Interpretable MDD (Major Depressive Disorder) Classification. In GECCO 2023 - Proceedings of the 2023 Genetic and Evolutionary Computation Conference. Lisbon: Association for Computing Machinery, 2023. p. 1427-1435. ISBN: 979-8-4007-0119-1. Detail
PIŇOS, M.; MRÁZEK, V.; VAVERKA, F.; VAŠÍČEK, Z.; SEKANINA, L. Acceleration Techniques for Automated Design of Approximate Convolutional Neural Networks. IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, 2023, vol. 13, no. 1, p. 212-224. ISSN: 2156-3357. Detail
PRABAKARAN, B.; MRÁZEK, V.; VAŠÍČEK, Z.; SEKANINA, L.; SHAFIQUE, M. Xel-FPGAs: An End-to-End Automated Exploration Framework for Approximate Accelerators in FPGA-Based Systems. In 2023 IEEE/ACM International Conference on Computer Aided Design (ICCAD). San Francisco: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2023. p. 1-9. ISBN: 979-8-3503-1559-2. Detail
QADRI, S.; ARIF, M.; SAEED, M. A Novel Variable Step-Size LMS Algorithm for Decentralized Incremental Distributed Networks. CIRCUITS SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING, 2023, vol. 41, no. 12, p. 7226-7249. ISSN: 0278-081X. Detail
SEKANINA, L.; MRÁZEK, V.; PIŇOS, M. Hardware-Aware Evolutionary Approaches to Deep Neural Networks. In Handbook of Evolutionary Machine Learning. Genetic and Evolutionary Computation. Singapore: Springer Nature Singapore, 2023. p. 367-396. ISBN: 978-981-9938-13-1. Detail

2022

BOSIO, A.; DI CARLO, S.; GIRARD, P.; RUOSPO, A.; SANCHEZ, E.; SAVINO, A.; SEKANINA, L.; TRAIOLA, M.; VAŠÍČEK, Z.; VIRAZEL, A. Design, Verification, Test, and In-Field Implications of Approximate Digital Integrated Circuits. In Approximate Computing Techniques. Cham: Springer International Publishing, 2022. p. 349-385. ISBN: 978-3-030-94704-0. Detail
HANIF, M.; MRÁZEK, V.; SHAFIQUE, M. Approximate Computing Architectures. In Handbook of Computer Architecture. Handbook of Computer Architecture. Singapore: Springer Nature Singapore, 2022. p. 1-41. ISBN: 978-981-1564-01-7. Detail
HURTA, M.; DRAHOŠOVÁ, M.; MRÁZEK, V. Evolutionary Design of Reduced Precision Preprocessor for Levodopa-Induced Dyskinesia Classifier. In Parallel Problem Solving from Nature - PPSN XVII. Lecture Notes in Computer Science. Dortmund: Springer Nature Switzerland AG, 2022. p. 491-504. ISBN: 978-3-031-14713-5. Detail
HURTA, M.; DRAHOŠOVÁ, M.; SEKANINA, L.; SMITH, S.; ALTY, J. Evolutionary Design of Reduced Precision Levodopa-Induced Dyskinesia Classifiers. In Genetic Programming, 25th European Conference, EuroGP 2022. Lecture Notes in Computer Science. Madrid: Springer Nature Switzerland AG, 2022. p. 85-101. ISBN: 978-3-031-02055-1. Detail
PIŇOS, M.; MRÁZEK, V.; SEKANINA, L. Evolutionary Approximation and Neural Architecture Search. Genetic Programming and Evolvable Machines, 2022, vol. 23, no. 3, p. 351-374. ISSN: 1389-2576. Detail

2021

PIŇOS, M.; MRÁZEK, V.; SEKANINA, L. Evolutionary Neural Architecture Search Supporting Approximate Multipliers. In Genetic Programming, 24th European Conference, EuroGP 2021. Lecture Notes in Computer Science, vol 12691. Seville: Springer Nature Switzerland AG, 2021. p. 82-97. ISBN: 978-3-030-72812-0. Detail
SEKANINA, L. Evolutionary Algorithms in Approximate Computing: A Survey. Journal of Integrated Circuits and Systems, 2021, vol. 16, no. 2, p. 1-12. ISSN: 1872-0234. Detail
SEKANINA, L. Neural Architecture Search and Hardware Accelerator Co-Search: A Survey. IEEE Access, 2021, vol. 9, no. 9, p. 151337-151362. ISSN: 2169-3536. Detail