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コンパイラ/アクセラレータarXiv:2512.15946

AIE4ML: AMD次世代AIエンジン向けニューラルネットワークコンパイルのエンドツーエンドフレームワーク

AIE4ML: An End-to-End Framework for Compiling Neural Networks for the Next Generation of AMD AI Engines

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AMDのAIE-ML世代デバイス向けに、AIモデルを自動で最適化ファームウェアへ変換する初の包括的フレームワークを提案し、単一カーネルでアーキテクチャ限界に近い性能と、2Dファブリック全体でのスケーラブルな並列化を実現した。

詳しい要約

1. どんなもの?

AMD Versal AI Engine (AIE) 上でニューラルネットワークを自動的に最適化ファームウェアへ変換する初の包括的フレームワーク AIE4ML を提案。AIE-ML 世代デバイスを対象とし、新しい AIE-MLv2 アーキテクチャへの前方互換性も持つ。単一カーネルからグラフ・システムレベルまで対応し、2D AIE-ML ファブリック全体にスケール可能。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

先行研究は第一世代 AIE のカーネル最適化に限定され、2D アレイ全体でのニューラルネットワーク実行を扱っていなかった。AIE4ML は AI モデルを自動で AIE-ML 向けファームウェアに変換する初の包括的フレームワークであり、単一カーネルでアーキテクチャピークに近い性能、グラフ・システムレベルで構造化並列化を提供。

3. 技術・手法の肝は?

単一カーネルレベルで性能を追求し、グラフ・システムレベルでは 2D AIE-ML ファブリックにスケールする構造化並列化手法を提供。専用メモリタイルを活用し、モデル実行全体をオンチップで完結。線形層実装は bias addition と ReLU activation の融合を内在サポート。新規グラフ配置・探索アルゴリズムにより、物理 2D グリッドに合わせた決定論的・コンパクト・トポロジー最適化配置を系統的に導出。hls4ml や PyTorch から量子化モデルをビット厳密に受け入れ可能。

4. どうやって有効だと検証した?

層スケーリングベンチマークで、単一カーネルベースラインに対し最大 98.6% の効率を達成し、デバイスの 304 AIE タイル中 296 タイル (97.4%) を利用、データ移動は完全オンチップ。実世界モデルトポロジでの評価により、マイクロ秒レイテンシ制約下で GPU クラスのスループットを実証。素粒子物理学実験のトリガーシステムなど超低レイテンシ環境への実用性を示す。

5. 議論はある?

要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

hls4ml、PyTorch、および先行する第一世代 AIE カーネル最適化研究が参照・比較されている。関連手法として AIE-ML および AIE-MLv2 アーキテクチャ、VLIW 実行モデル、2D AIE ファブリックに関する研究が次に読むべき候補。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Dimitrios Danopoulos, Enrico Lupi, Chang Sun, Sebastian Dittmeier, Michael Kagan, Vladimir Loncar, Maurizio Pierini

分類: cs.LG, cs.AR, hep-ex

原文アブストラクト

Efficient AI inference on AMD's Versal AI Engine (AIE) is challenging due to tightly coupled VLIW execution, explicit datapaths, and local memory management. Prior work focused on first-generation AIE kernel optimizations, without tackling full neural network execution across the 2D array. In this work, we present AIE4ML, the first comprehensive framework for converting AI models automatically into optimized firmware targeting the AIE-ML generation devices, also with forward compatibility for the newer AIE-MLv2 architecture. At the single-kernel level, we attain performance close to the architectural peak. At the graph and system levels, we provide a structured parallelization method that can scale across the 2D AIE-ML fabric and exploit its dedicated memory tiles to stay entirely on-chip throughout the model execution. As a demonstration, we designed a generalized and highly efficient linear-layer implementation with intrinsic support for fused bias addition and ReLU activation. Also, as our framework necessitates the generation of multi-layer implementations, our approach systematically derives deterministic, compact, and topology-optimized placements tailored to the physical 2D grid of the device through a novel graph placement and search algorithm. Finally, the framework seamlessly accepts quantized models imported from high-level tools such as hls4ml or PyTorch while preserving bit-exactness. In layer scaling benchmarks, we achieve up to 98.6% efficiency relative to the single-kernel baseline, utilizing 296 of 304 AIE tiles (97.4%) of the device with entirely on-chip data movement. With evaluations across real-world model topologies, we demonstrate that AIE4ML delivers GPU-class throughput under microsecond latency constraints, making it a practical companion for ultra-low-latency environments such as trigger systems in particle physics experiments.

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