面向卷积神经网络的FPGA加速器架构设计

随着人工智能的快速发展,卷积神经网络(CNN)在很多领域发挥着越来越重要的作用。分析研究了现有卷积神经网络模型,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的卷积神经网络加速器。在卷积运算中四个维度方向实现了并行化计算;提出了参数化架构设计,在三种参数条件下,单个时钟周期分别能够完成512、1024、2048次乘累加;设计了片内双缓存结构,减少片外存储访问的同时实现了有效的数据复用;使用流水线实现了完整的神经网络单层运算过程,提升了运算效率。与CPU、GPU以及相关FPGA加速方案进行了对比实验,实验结果表明,所提出的设计的计算速度达到了560.2 GOP/s,为i7-6850K CPU的8.9倍。同时,其计算的性能功耗比达到了NVDIA GTX 1080Ti GPU的3.0倍,与相关研究相比,所设计的加速器在主流CNN网络的计算上实现了较高的性能功耗比,同时不乏通用性。     

基于FPGA的卷积神经网络定点加速

针对卷积神经网络（CNN）在资源受限的硬件设备上运行功耗高及运行慢的问题，提出一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的CNN定点计算加速方法。首先提出一种定点化方法，并且每层卷积设计不同的尺度参数，使用相对散度确定位宽的长度，以减小CNN参数的存储空间，而且研究不同量化区间对CNN精度的影响；其次，设计参数复用方法及流水线计算方法来加速卷积计算。为验证CNN定点化后的加速效果，采用了人脸和船舶两个数据集进行验证。结果表明，相较于传统的浮点卷积计算，所提方法在保证CNN精度损失很小的前提下，当权值参数和输入特征图参数量化到7-bit时，在人脸识别CNN模型上的压缩后的权重参数文件大小约为原来的22%，卷积计算加速比为18.69，同时使FPGA中的乘加器的利用率达94.5%。实验结果表明了该方法可以提高卷积计算速度，并且能够高效利用FPGA硬件资源。     

基于FPGA的卷积神经网络定点加速

针对卷积神经网络（CNN）在资源受限的硬件设备上运行功耗高及运行慢的问题，提出一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的CNN定点计算加速方法。首先提出一种定点化方法，并且每层卷积设计不同的尺度参数，使用相对散度确定位宽的长度，以减小CNN参数的存储空间，而且研究不同量化区间对CNN精度的影响；其次，设计参数复用方法及流水线计算方法来加速卷积计算。为验证CNN定点化后的加速效果，采用了人脸和船舶两个数据集进行验证。结果表明，相较于传统的浮点卷积计算，所提方法在保证CNN精度损失很小的前提下，当权值参数和输入特征图参数量化到7-bit时，在人脸识别CNN模型上的压缩后的权重参数文件大小约为原来的22%，卷积计算加速比为18.69，同时使FPGA中的乘加器的利用率达94.5%。实验结果表明了该方法可以提高卷积计算速度，并且能够高效利用FPGA硬件资源。     

基于FPGA的CNN加速器设计与实现

近年来,卷积神经网络(CNN)在计算机视觉任务中得到了广泛的应用,可编程逻辑门阵列(FPGA)以其高性能、高能效、高灵活性等优点被广泛应用于CNN的加速。提出了一种基于FPGA的卷积神经网络加速器的设计与实现方法,以期在资源和功耗受限的平台中为CNN的计算提供加速。以VC707开发板为FPGA平台,设计了一种新的卷积神经网络Do Net,可以实现对Minist手写数据集的识别分类。测试结果表明,基于FPGA实现的Do Net对Minist数据集的识别准确率为95%,测试显示的识别时间为0. 545 ms,功耗为1. 95 W。     

基于FPGA的递归神经网络加速器的研究进展

递归神经网络(RNN)近些年来被越来越多地应用在机器学习领域,尤其是在处理序列学习任务中,相比CNN等神经网络性能更为优异。但是RNN及其变体,如LSTM、GRU等全连接网络的计算及存储复杂性较高,导致其推理计算慢,很难被应用在产品中。一方面,传统的计算平台CPU不适合处理RNN的大规模矩阵运算;另一方面,硬件加速平台GPU的共享内存和全局内存使基于GPU的RNN加速器的功耗比较高。FPGA 由于其并行计算及低功耗的特性,近些年来被越来越多地用来做 RNN 加速器的硬件平台。对近些年基于FPGA的RNN加速器进行了研究,将其中用到的数据优化算法及硬件架构设计技术进行了总结介绍,并进一步提出了未来研究的方向。     

基于FPGA的卷积神经网络并行加速设计

为提升在资源、功耗受限的嵌入式平台上运行的深度卷积网络算法的速度和能效,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的卷积并行加速方案。利用卷积层与批归一化(batch normalization,BN)层融合减少计算复杂度;利用数据分片减少片上存储消耗;利用数据复用、并行计算提升运算速度,减少系统硬件开销;利用设计空间探索找到最符合硬件资源约束的计算并行度。实验结果表明,在100MHz的工作频率下,加速器的峰值计算性能可以达到52.56GFLOPS,性能是CPU的4.1倍,能耗仅为GPU的9.9%,与其它FPGA方案相比综合性能有一定的提升。     

基于FPGA的量化CNN加速系统设计

深度卷积神经网络（CNN）模型中卷积层和全连接层包含大量卷积操作,导致网络规模、参数量和计算量大幅增加,部署于CPU/GPU平台时存在并行计算性能差和不适用于移动设备环境的问题,需要对卷积参数做量化处理并结合硬件进行加速设计。现场可编程门阵列（FPGA）可满足CNN并行计算和低功耗的需求,并具有高度的灵活性,因此,基于FPGA设计CNN量化方法及其加速系统。提出一种通用的动态定点量化方法,同时对网络的各个层级进行不同精度的量化,以减少网络准确率损失和网络参数的存储需求。在此基础上,针对量化后的CNN设计专用加速器及其片上系统,加速网络的前向推理计算。使用ImageNet ILSVRC2012数据集,基于VGG-16与ResNet-50网络对所设计的量化方法和加速系统进行性能验证。实验结果显示,量化后VGG-16与ResNet-50的网络规模仅为原来的13.8%和24.8%,而Top-1准确率损失均在1%以内,表明量化方法效果显著,同时,加速系统在运行VGG-16时,加速效果优于其他3种FPGA实现的加速系统,峰值性能达到614.4 GOPs,最高提升4.5倍,能耗比达到113.99 GOPs/W,最高提升4.7倍。     

基于FPGA加速的低功耗的MobileNetV2网络识别系统

近年来,卷积神经网络由于其出色的性能被广泛应用在各个领域,如图像识别、语音识别与翻译和自动驾驶等;但是传统卷积神经网络（Convolutional Neural Network,CNN）存在参数多,计算量大,部署在CPU与GPU上推理速度慢、功耗大的问题。针对上述问题,采用量化感知训练（Quantization Aware Training,QAT）的方式在保证图像分类准确率的前提下,将网络参数总量压缩为原网络的1/4;将网络权重全部部署在FPGA的片内资源上,克服了片外存储带宽的限制,减少了访问片外存储资源带来的功耗;在MobileNetV2网络的层内以及相邻的点卷积层之间提出一种协同配合的流水线结构,极大的提高了网络的实时性;提出一种存储器与数据读取的优化策略,根据并行度调整数据的存储排列方式及读取顺序,进一步节约了片内BRAM资源。最终在Xilinx的Virtex-7 VC707开发板上实现了一套性能优、功耗小的轻量级卷积神经网络MobileNetV2识别系统,200HZ时钟下达到了170.06 GOP/s的吞吐量,功耗仅为6.13W,能耗比达到了27.74 GOP/s/W,是CPU的92倍,GPU的25倍,性能较其他实现有明显的优势。     

基于FPGA的通用卷积神经网络识别系统研究

针对目前在中央处理器(CPU)中部署卷积神经网络速度慢、在图形处理器(GPU)中功耗高等问题,采用基于现场可编程门阵列(FPGA)平台开发的卷积神经网络识别系统,对卷积神经网络的各个环节进行算法加速。考虑到算法的计算量和逻辑资源的消耗主要集中在卷积层,提出了在特征图的通道方向进行双卷积并行模块设计。在卷积神经网络的池化层和激活函数Softmax中,设计了流式池化,并提出改进的分段查表计算Softmax函数的方法。另外,在归一化和预处理阶段也分别进行了优化。卷积神经网络识别系统选用XILINX公司的ZCU104开发平台。该平台内部包含片上系统与可编程逻辑控制器。通过自制水果数据集,分别在ZCU104、CPU和GPU上进行试验。试验结果显示,ZCU104分类的准确率达到了95.8%,识别速度约为计算机端上CPU实现同种网络模型的3倍,并且高于GPU。此外,该系统通用性高、资源占用率低,可应用在其他神经网络模型中。     

矿山三维空间数据距离直方图算法优化及加速

分析了三维空间数据距离直方图算法的性质及数据结构,提出了基于图形处理器的通用计算方法和基于FPGA的高性能计算方法,基于图形处理器的计算方法可用于实现三维空间数据距离直方图算法的单指令多数据并行优化;基于FPGA的计算方法可实现算法的硬件分块优化,使算法的硬件结构达到最优匹配。实验结果表明,利用基于图形处理器的计算方法可使算法达到平均18倍的性能加速,基于FPGA的计算方法可使算法达到平均30倍的性能加速,大大提升了算法的数据处理能力。     

卷积神经网络的FPGA并行加速方案设计

根据卷积神经网络的特点,提出了深度流水的FPGA加速方案,设计了卷积层的通用卷积电路。该卷积电路可以在一个时钟周期内获得一个计算结果。理论上,该方案对于MNIST数据集,在28×28个时钟周期内可以获得一幅图片的运算结果。针对网络训练过程的前向传播阶段,在网络结构和数据集相同的情况下,对GPU,FPGA,CPU进行了在计算效率和能耗之间的比较。其中在计算效率方面,50 MHz频率的FPGA就可以相较于GPU实现近5倍的加速,相较于12核的CPU实现8倍的加速。而在功耗方面,该FPGA的实现方案只有GPU版本的26.7%。     

高性能人脸识别加速器优化设计及FPGA实现

计算机视觉的快速发展对嵌入式产品的系统性能要求越来越高,传统的现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）平台存在计算吞吐未能很好匹配内存带宽,通用处理器对卷积神经网络（Convolutional Neural Network,CNN）的实现效率不高,未能满足性能要求等问题。针对以上设计瓶颈,使用经典的LeNet-5神经网络模型,在Xilinx ZC706嵌入式开发平台上设计了一个高性能的人脸识别神经网络加速器,在高层次综合（High Level Synthesis,HLS）工具的基础上通过存储优化、定点量化、运算优化等方法对神经网络模型进行优化改进,实现了7层的CNN加速器。实验结果表明,CNN加速器的工作频率为200 MHz,相较于CPU,加速器实现了126倍加速,相较于GPU速度提升10倍以上,并且功耗仅为2.62 W。     

面向硬件加速的通用图像卷积实验平台

FPGA因具有较好的并行处理能力和灵活性,使其在卷积神经网络硬件加速计算中得到广泛的应用,但是传统的FPGA图像卷积实现中存在模块化设计以及空间开销较大的问题.本文提出了一种面向硬件加速的通用图像卷积开发平台.通过模块化设计,极大提高针对不同卷积核实现图像卷积开发的灵活性;另外通过图像批次处理技术,充分利用数据重复性实...     

基于软件定义的可重构卷积神经网络架构设计

为满足卷积神经网络业务处理的灵活性和高性能需求,提出一种基于软件定义的可重构卷积神经网络架构.该架构采用归一化处理流程实现卷积层网络的动态重构与运算模式的加速.采用AHB和AXI的双总线架构,实现卷积神经网络的流水计算.通过软件定义在FPGA上实现了不同网络结构下的数据集实时处理.实验结果表明,所设计的FPGA电路能够...