Déploiement efficace des réseaux de neurones profonds sur les dispositifs matériels pour l’IA en Edge

Efficient Deployment of Deep Neural Networks on Hardware Devices for Edge AI

• Auteur / Autrice : Halima Bouzidi
• Direction : Smaïl Niar, Hamza Ouarnoughi, El-Ghazali Talbi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 29/01/2024
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Clarisse Dhaenens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Smaïl Niar, Hamza Ouarnoughi, El-Ghazali Talbi, Tulika Mitra, Olivier Sentieys, Nicolas Ventroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tulika Mitra, Olivier Sentieys

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Apprentissage profond

Réseaux neuronaux (informatique)

Mots clés libres

Edge AI

HW-Aware NAS

Dvfs

Inférence Dynamique

Co-Optimisation HW/SW

Prédiction de Performance

Edge AI

HW-Aware NAS

Dvfs

Dynamic Inference

HW/SW Co-Optimization

Performance Prediction

Résumé

Les réseaux de neurones (RN) sont devenus une force dominante dans le monde de la technologie. Inspirés par le cerveau humain, leur conception complexe leur permet d’apprendre des motifs, de prendre des décisions et même de prévoir des scénarios futurs avec une précision impressionnante. Les RN sont largement déployés dans les systèmes de l'Internet des Objets (IoT pour Internet of Things), renforçant davantage les capacités des dispositifs interconnectés en leur donnant la capacité d'apprendre et de s'auto-adapter dans un contexte temps réel. Cependant, la prolifération des données produites par les capteurs IoT rend difficile leur envoi vers un centre cloud pour le traitement. Par conséquent, le traitement des données plus près de leur origine, en edge, permet de prendre des décisions en temps réel, réduisant ainsi la congestion du réseau.L'intégration des RN à l'edge dans les systèmes IoT permet d'obtenir des solutions plus efficaces et réactives, inaugurant ainsi une nouvelle ère de edge AI. Néanmoins, le déploiement des RN sur des plateformes matérielles à ressources présente une multitude de défis. (i) La complexité inhérente des architectures des RN, qui nécessitent d'importantes capacités de calcul et de stockage. (ii) Le budget énergétique limité caractérisant les dispositifs matériels sur edge qui ne permet pas de supporter des RN complexes, réduisant drastiquement la durée de fonctionnement du système. (iii) Le défi d'assurer une harmonie entre la conception des RN et celle des dispositifs matériels de l’edge. (iv) L'absence de l'adaptabilité à l'environnement d'exécution dynamique et aux complexités des données.Pour pallier ces problèmes, cette thèse vise à établir des méthodes innovantes qui élargissent les cadres traditionnels de conception de RN (NAS pour Neural Architecture Search) en intégrant les caractéristiques contextuelles du matériel et de l’environnement d'exécution. Tout d'abord, nous intégrons les propriétés matérielles au NAS en adaptant les RN aux variations de la fréquence d'horloge. Deuxièmement, nous exploitons l’aspect dynamique au sein des RN d'un point de vue conceptuel, en introduisant un NAS dynamique. Troisièmement, nous explorons le potentiel des RN graphiques (GNN pour Graph Neural Network) en développant un NAS avec calcul distribué sur des multiprocesseurs hétérogènes sur puce (MPSoC pour Multi-Processors Système-on-Chip). Quatrièmement, nous abordons la co-optimisation software et matérielle sur les MPSoCs hétérogènes en proposant une stratégie d'ordonnancement innovante qui exploite l'adaptabilité et le parallélisme des RN. Cinquièmement, nous explorons la perspective de ML4ML (pour Machine Learning for Machine Learning) en introduisant des techniques d'estimation des performances des RN sur les plateformes matérielles sur edge en utilisant des méthodes basés sur ML. Enfin, nous développons un framework NAS évolutif et auto-adaptatif de bout en bout qui apprend progressivement l'importance des paramètres architecturaux du RN pour guider efficacement le processus de recherche du NAS vers l'optimalité.Nos méthodes aident à contribuer à la réalisation d’un framework de conception de bout en bout pour les RN sur les dispositifs matériels sur edge. Elles permettent ainsi de tirer avantage de plusieurs pistes d’optimisation au niveau logiciel et matériel, améliorant les performances et l’efficacité de l’Edge AI.

Neural Networks (NN) have become a leading force in today's digital landscape. Inspired by the human brain, their intricate design allows them to recognize patterns, make informed decisions, and even predict forthcoming scenarios with impressive accuracy. NN are widely deployed in Internet of Things (IoT) systems, further elevating interconnected devices' capabilities by empowering them to learn and auto-adapt in real-time contexts. However, the proliferation of data produced by IoT sensors makes it difficult to send them to a centralized cloud for processing. This is where the allure of edge computing becomes captivating. Processing data closer to where it originates -at the edge- reduces latency, makes real-time decisions with less effort, and efficiently manages network congestion.Integrating NN on edge devices for IoT systems enables more efficient and responsive solutions, ushering in a new age of self-sustaining Edge AI. However, Deploying NN on resource-constrained edge devices presents a myriad of challenges: (i) The inherent complexity of neural network architectures, which requires significant computational and memory capabilities. (ii) The limited power budget of IoT devices makes the NN inference prone to rapid energy depletion, drastically reducing system utility. (iii) The hurdle of ensuring harmony between NN and HW designs as they evolve at different rates. (iv) The lack of adaptability to the dynamic runtime environment and the intricacies of input data.Addressing these challenges, this thesis aims to establish innovative methods that extend conventional NN design frameworks, notably Neural Architecture Search (NAS). By integrating HW and runtime contextual features, our methods aspire to enhance NN performances while abstracting the need for the human-in-loop}. Firstly, we incorporate HW properties into the NAS by tailoring the design of NN to clock frequency variations (DVFS) to minimize energy footprint. Secondly, we leverage dynamicity within NN from a design perspective, culminating in a comprehensive Hardware-aware Dynamic NAS with DVFS features. Thirdly, we explore the potential of Graph Neural Networks (GNN) at the edge by developing a novel HW-aware NAS with distributed computing features on heterogeneous MPSoC. Fourthly, we address the SW/HW co-optimization on heterogeneous MPSoCs by proposing an innovative scheduling strategy that leverages NN adaptability and parallelism across computing units. Fifthly, we explore the prospect of ML4ML -- Machine Learning for Machine Learning by introducing techniques to estimate NN performances on edge devices using neural architectural features and ML-based predictors. Finally, we develop an end-to-end self-adaptive evolutionary HW-aware NAS framework that progressively learns the importance of NN parameters to guide the search process toward Pareto optimality effectively.Our methods can contribute to elaborating an end-to-end design framework for neural networks on edge hardware devices. They enable leveraging multiple optimization opportunities at both the software and hardware levels, thus improving the performance and efficiency of Edge AI.