Accélérateurs Matériels pour l'Intelligence Artificielle. Etude de Cas : Voitures Autonomes

Hardware Accelerators for Machine Learning Applications. Case Study : Autonomous Vehicles

• Auteur / Autrice : Mohamed Ayoub Neggaz
• Direction : Smaïl Niar, Fadi Kurdahi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 28/05/2020
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Pétrot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Smaïl Niar, Fadi Kurdahi, Andreas Herkersdorf, Ihsen Alouani, Catherine Dezan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Pétrot, Andreas Herkersdorf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intelligence artificielle

Véhicules autonomes

Mots clés libres

Voiture Autonome

Intelligence Artificielle

Fpga

Gpu

Asic

Cnn

Systèmes embarqués

Fiabilité

Autonomous Vehicles

Artificial Intelligence

FPGA

GPU

ASIC

CNN

Embedded systems

Reliability

Résumé

Depuis les débbuts du défi DARPA, la conception de voitures autonomes suscite unintérêt croissant. Cet intéreêt grandit encore plus avec les récents succès des algorithmesd'apprentissage automatique dans les tâches de perception. Bien que laprécision de ces algorithmes soit irremplaçable, il est très diffcile d'exploiter leurpotentiel. Les contraintes en temps réel ainsi que les problèmes de fiabilité alourdissentle fardeau de la conception de plateformes matériels efficaces. Nous discutonsles différentes implémentations et techniques d'optimisation de ces plateformes dansce travail. Nous abordons le problème de ces accélérateurs sous deux perspectives: performances et fiabilité. Nous proposons deux techniques d'accélération qui optimisentl'utilisation du temps et des ressources. Sur le voletfiabilité, nous étudionsla résilience des algorithmes de Machine Learning face aux fautes matérielles. Nousproposons un outil qui indique si ces algorithmes sont suffisamment fiables pour êtreemployés dans des systèmes critiques avec de fortes critères sécuritaire ou non. Unaccélérateur sur processeur associatif résistif est présenté. Cet accélérateur atteint desperformances élevées en raison de sa conception en mémoire qui remédie au goulotd'étranglement de la mémoire présent dans la plupart des algorithmes d'apprentissageautomatique. Quant à l'approche de multiplication constante, nous avons ouvertla porte à une nouvelle catégorie d'optimisations en concevant des accélérateursspécifiques aux instances. Les résultats obtenus surpassent les techniques les plusrécentes en termes de temps d'exécution et d'utilisation des ressources. Combinés àl'étude de fiabilité que nous avons menée, les systèmes ou la sécurité est de prioritépeuvent profiter de ces accélérateurs sans compromettre cette dernière.

Since the early days of the DARPA challenge, the design of self-driving cars is catching increasing interest. This interest is growing even more with the recent successes of Machine Learning algorithms in perception tasks. While the accuracy of thesealgorithms is irreplaceable, it is very challenging to harness their potential. Realtime constraints as well as reliability issues heighten the burden of designing efficient platforms.We discuss the different implementations and optimization techniques in this work. We tackle the problem of these accelerators from two perspectives: performance and reliability. We propose two acceleration techniques that optimize time and resource usage. On reliability, we study the resilience of Machine Learning algorithms. We propose a tool that gives insights whether these algorithms are reliable enough forsafety critical systems or not. The Resistive Associative Processor accelerator achieves high performance due to its in-memory design which remedies the memory bottleneck present in most Machine Learning algorithms. As for the constant multiplication approach, we opened the door for a new category of optimizations by designing instance specific accelerators. The obtained results outperforms the most recent techniques in terms of execution time and resource usage. Combined with the reliability study we conducted, safety-critical systems can profit from these accelerators without compromising its security.