SCALE-Sim: Systolic CNN Accelerator Simulator
一、论文概览
核心贡献
- 脉动阵列（Systolic Array）开源的周期精确仿真器
- 支持三种主流数据流：Weight Stationary (WS)、Output Stationary (OS)、Input Stationary (IS)
- TPU 精度验证：与 Google TPUv1 真实数据对比，误差 <15%
- SCALE-Sim v3/TPU (2603.22535): 扩展到 TPU 架构建模
二、技术方法
建模层次
| 层级 | 组件 | 描述 |
|---|
| 顶层 | Loop nest | Nested loop 映射到脉动阵列的仿真 |
| 中间 | Buffer hierarchy | Global Buffer → Local Registers → MAC |
| 底层 | MAC array | N×M systolic array, 周期级数据流动 |
数据流（Dataflow）支持
| 数据流 | 特点 | 适合 |
|---|
| Weight Stationary | 权重固定在 MAC 阵列，输入数据流动 | 卷积计算（TPU 风格） |
| Output Stationary | 部分和固定在 MAC，权重流动 | 大核卷积 |
| Input Stationary | 输入固定，权重移动 | 小核卷积 |
三、扩展
- SCALE-Sim v2: 异构脉动阵列 + DRAM 控制器
- SCALE-Sim v3/TPU: 面向 TPU 架构，验证 TVM/VTA 的周期级行为
- 与 Timeloop/MAESTRO 互补：SCALE-Sim 做周期验证，MAESTRO 做映射分析
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