A Software-Programmable Neural Processing Unit for Graph Neural Network Inference on FPGAs
Notice bibliographique
Résumé
Graph neural networks (GNNs) are a widely-used class of deep learning (DL) models for learning latent representations of graph-structured data for a variety of node/graph-level prediction tasks, some of which require real-time low latency inference. Most existing GNN accelerators rely on preprocessing input graphs on a host/embedded CPU to parallelize computations on different sub-graphs, making them unsuitable for real-time use cases. Others are extremely specialized streaming pipelines for only a specific type of GNN and therefore suffer from long FPGA bitstream compile times when the model is updated and cannot be used in applications that combine GNNs with other classes of DL models. In this work, we enhance the neural processing unit (NPU) FPGA overlay architecture, instruction set, and software stack to support a variety of GNN models. We achieve this without sacrificing the NPU flexibility; our enhanced NPU can be programmed purely through software to accelerate different GNNs or any of its originally supported DL workloads (e.g. MLPs, RNNs, GRUs, LSTMs). In addition, this flexibility enables our NPU software compiler to generate GNN kernels with different performance targets (throughput-optimized vs. latency-optimized) by exploiting different dimensions of compute parallelism on the same overlay architecture. Besides the flexibility benefits, our NPU implemented on an Intel Stratix 10 NX (14 nm) FPGA can process $7.8 \times$ more graphs per second at a similar latency on average compared to a state-of-the-art model-specific FPGA accelerator targeting real-time applications on an AMD Ultrascale+ same-generation FPGA. It also achieves 5.8 $\times$ higher throughput compared to an Nvidia RTX A6000 GPU (8 nm) and $2.6 \times$ lower latency than a state-of-the-art accelerator that combines CPU-based graph preprocessing with AMD Versal (7 nm) fabric and AI engine compute. Finally, we present a case study for using our enhanced NPU in real-time GNNbased multi-input multi-output (MIMO) antenna scheduling, highlighting that it meets the latency requirements of this task in 5G communication networks.
Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.
Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,014 | 0,003 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».