基于卷积网络加速器的FPGA数据处理研究

在FPGA数据处理应用场合中,引入神经网络能够提高数据特征的学习能力.但是基于非嵌入式的神经网络在运算过程中通常具有显著的复杂性和稀疏性,难以直接应用于FPGA上.于是,为了提高FPGA在数据处理时的并行性和高效性,设计了基于卷积网络加速器的FPGA数据处理架构.首先对卷积网络的层进行优化设计,采用ReLU函数来加速卷...     

基于FPGA动态重构的卷积神经网络硬件架构设计

为了解决卷积神经网络硬件实现阶段的资源限制问题,提出了基于FPGA动态重构的卷积神经网络加速器设计。首先,设计了卷积神经网络加速器的整体并行策略和VLSI架构,并针对卷积神经网络的功能模块进行了流水线设计。其次,对卷积神经网络加速器进行动态重构设计,建立动态重构区域及其模块功能划分;并选用BPI Flash存储配置文件,通过内部配置端口读取配置文件对动态重构区域进行动态配置。实验结果表明,针对Lenet-5手写体识别网络,基于动态重构设计的加速器与相应的静态设计相比,使用的Slice LUTs、Slice Registers与DSP资源分别减少44%、27. 8%与71%。与基于软件平台实现作对比,系统执行时间大幅度降低。但是由于内部配置端口的带宽限制,重构配置时间延长了整个卷积网络的执行时间。     

可重构卷积神经网络加速器设计与实现

针对卷积神经网络(CNN)中卷积核的多样性导致加速器难以实现高效计算的问题,提出了一种可重构卷积神经网络加速器实现方法.加速器包括18个处理引擎(PE),每个PE包含9个乘累加单元,3个PE构建一个5×5卷积核实现卷积核重构,调度器通过控制每层所需的卷积核大小和通道数分配PE实现卷积处理.加速器支持常见的3×3,5×5...     

基于FPGA的卷积神经网络并行加速器设计

近年来,卷积神经网络在许多领域中发挥着越来越重要的作用,然而功耗和速度是限制其应用的主要因素.为了克服其限制因素,设计一种基于FPGA平台的卷积神经网络并行加速器,以Ultra96-V2为实验开发平台,而且卷积神经网络计算IP核的设计实现采用了高级设计综合工具,使用Vivado开发工具完成了基于FPGA的卷积神经网络加...     

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...     

面向嵌入式FPGA的高性能卷积神经网络加速器设计

针对基于嵌入式现场可编程门阵列(FPGA)平台的卷积神经网络加速器由于资源有限导致处理速度受限的问题,提出一种高性能卷积神经网络加速器.首先根据卷积神经网络和嵌入式FPGA平台的特点,设计软硬件协同操作架构;然后在存储资源和计算资源的限制下,分别提出二维直接内存存取分块和权衡数字信号处理单元与查找表使用的优化策略;最后针对人脸检测的应用,对SSD网络模型进行优化,采用软硬件流水结构,提高人脸检测系统的整体性能.在Xilinx ZC706开发板上实现此加速器,实验结果表明,该加速器可达到167.5 GOPS的平均性能和81.2帧/s的人脸检测速率,其平均性能和人脸检测速率是嵌入式GPU平台TX2的1.58倍.     

SAF-CNN：面向嵌入式FPGA的卷积神经网络稀疏化加速框架

传统的卷积神经网络加速器及推理框架在资源约束的FPGA上部署模型时,往往面临设备种类繁多且资源极端受限、数据带宽利用不充分、算子操作类型复杂难以适配且调度不合理等诸多挑战.提出一种面向嵌入式FPGA的卷积神经网络稀疏化加速框架（sparse acceleration framework of convolutional neural network, SAF-CNN）,通过软硬件协同设计的方法,从硬件加速器与软件推理框架2个角度进行联合优化.首先, SAF-CNN构建并行计算阵列,并且设计并行编解码方案,实现单周期多数据的传输,有效减少通信代价.其次,设计细粒度结构化块划分剪枝算法,于输入通道维度进行块内裁剪来获得稀疏且规则的权重矩阵,借此显著降低计算规模和DSP乘法器等资源占用.然后,提出一种兼容深度可分离卷积的输入通道维度动态拓展及运行时调度策略,实现输入通道参数灵活适配与逐通道卷积和逐点卷积的资源复用.最后,提出一种计算图重构及硬件算子融合优化方法,提升硬件执行效率.实验采用2种资源受限的低端FPGA异构平台Intel CycloneV与Xilinx ZU3EG,结果表明SAF-...     

基于混合架构的卷积神经网络算法加速研究

具有优越性能的卷积神经网络算法已得到广泛应用,但其参数量大、计算复杂、层间独立性高等特点也使其难以高效地部署在较低功耗和较少资源的边缘场景.为此结合该种算法的特点提出了一种基于混合架构的卷积神经网络计算加速方法,该方法选用CPU加FPGA的混合架构,对网络模型进行了压缩优化;在FPGA上通过指令控制数据流的DSP阵列结...     

基于SOC架构的智能图像处理和外设控制系统设计

针对当前采用的DSP+FPGA实时图像处理和控制系统的不足,提出了一种基于SOC架构的智能图像处理和控制系统,该系统硬件上使用SOC架构进行算法电路实现和外设控制,能够对所获取的图像进行跟踪、识别和匹配等图像处理,同时根据软件配置对外部器件进行控制和交互;通过对大尺寸卷积运算的验证试验,结果表明所设计的SOC架构具有通用性好、可靠性高、处理速度快和控制精准的特点,能够完全适应高复杂的卷积运算。     

基于改进全卷积神经网络的医疗数据表面重建算法

为了实现对医疗数据的快速检测和分类识别,需要对医疗数据进行表面重建设计,首先,提出一种基于改进全卷积神经网络的医疗数据表面重建算法.采用无线射频识别技术进行医疗数据的大数据采样,对RFID采集的医疗数据进行信息融合处理,采用多元回归分析方法提取医疗数据的相关性统计特征量,然后,针对医疗数据中的冗余特征采用匹配滤波检测器进行冗余滤波处理,对提纯后的医疗数据采用相空间重构技术实现医疗数据重构,最后,对重构数据采用改进全卷积神经网络分类器进行分类识别,实现医疗数据的表面重建和自动识别.仿真结果表明,所提方法的医疗数据冗余特征处理效果较好,数据分类精度可高达90%以上,且医疗数据重建误差小,耗时少.     

基于FPGA的H.264帧内预测实现和优化

在使用硬件电路进行H.264编码时,为提高帧内预测运算速度,减少硬件电路面积,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的H.264帧内预测硬件电路的实现和优化解决方案。利用FPGA的并行处理能力和同模式下帧内预测数据冗余对硬件电路进行优化。使用Verilog语言进行模块设计,仿真平台为Modelsim,在Altera CycloneII EP2C20F484C上的实现,验证了该硬件电路结构的高效性及实用性。     

CoNNa–Hardware accelerator for compressed convolutional neural networks

In this paper, we propose a novel Convolutional Neural Network hardware accelerator called CoNNA, capable of accelerating pruned, quantized CNNs. In contrast to most existing solutions, CoNNA offers a complete solution to the compressed CNN acceleration, being able to accelerate all layer types commonly found in contemporary CNNs. CoNNA is designed as a coarse-grained reconfigurable architecture, which uses rapid, dynamic reconfiguration during CNN layer processing. The CoNNA architecture enables the on-the-fly selection of the CNN network that should be accelerated and also supports the acceleration of CNN networks with dynamic topology. Furthermore, by being able to directly process compressed feature and kernel maps, and skip all ineffectual computations during CNN layer processing, the CoNNA CNN accelerator is able to achieve higher CNN processing rates than some of the previously proposed solutions. The CoNNA architecture has been implemented using Xilinx ZynqUtrascale+ FPGA family and compared with seven previously proposed CNN hardware accelerators. Results of the experiments seem to indicate that the CoNNA architecture is up to 14.10, 6.05, 4.91, 2.67, 11.30, 3.08 and 3.58 times faster than previously proposed MIT's Eyeriss, NullHop, NVIDIA's Deep Learning Accelerator (NVDLA), NEURAghe, CNN_A1, fpgaConvNet, and Deephi's Aristotle CNN accelerators respectively, while using identical number of computing units and operating at the same clock frequency.     

基于FPGA的HEVC后处理CNN硬件加速器研究

针对高效视频编解码标准中后处理CNN算法在通用平台运行时产生的高延时缺点,提出一种基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的后处理卷积神经网络硬件并行架构。提出的并行架构通过改进输入与输出缓冲的数据并发过程,调整卷积模块整体并行度,加快模块硬件流水。实验结果表明,基于本文所提出的并行架构设计的CNN硬件加速器在Xilinx ZCU102上处理分辨率为176×144视频流,计算性能相当于每秒360.5 GFLOPS,计算速度可满足81.01 FPS,相比时钟频率4 GHz的Intel i7-4790K,计算速度加快了76.67倍,相比NVIDIA GeForce GTX 750Ti加速了32.50倍。在计算能效比方面,本文后处理CNN加速器功耗为12.095 J,能效比是Intel i7-4790K的512.90倍,是NVIDIA GeForce GTX 750Ti的125.78倍。     

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。     

A high performance hardware accelerator for dynamic texture segmentation

Hardware accelerators such as general-purpose GPUs and FPGAs have been used as an alternative to conventional CPU architectures in scientific computing applications, and have achieved good speed-up results. Within this context, the present study presents a heterogeneous architecture for high-performance computing based on CPUs and FPGAs, which efficiently explores the maximum parallelism degree for processing video segmentation using the concept of dynamic textures. The video segmentation algorithm includes processing the 3-D FFT, calculating the phase spectrum and the 2-D IFFT operation. The performance of the proposed architecture based on CPU and FPGA is compared with the reference implementation of FFTW in CPU and with the cuFFT library in GPU. The performance report of the prototyped architecture in a single Stratix IV FPGA obtained an overall speedup of 37x over the FFTW software library.     

面向卷积神经网络的高并行度FPGA加速器设计

大多数基于卷积神经网络（CNN）的算法都是计算密集型和存储密集型的,很难应用于具有低功耗要求的航天、移动机器人、智能手机等嵌入式领域。针对这一问题,提出一种面向CNN的高并行度现场可编程逻辑门阵列（FPGA）加速器。首先,比较研究CNN算法中可用于FPGA加速的4类并行度;然后,提出多通道卷积旋转寄存流水（MCRP）结构,简洁有效地利用了CNN算法的卷积核内并行;最后,采用输入输出通道并行+卷积核内并行的方案提出一种基于MCRP结构的高并行度CNN加速器架构,并将其部署到XILINX的XCZU9EG芯片上,在充分利用片上数字信号处理器（DPS）资源的情况下,峰值算力达到2 304 GOPS。以SSD-300算法为测试对象,该CNN加速器的实际算力为1 830.33 GOPS,硬件利用率达79.44%。实验结果表明,MCRP结构可有效提高CNN加速器的算力,基于MCRP结构的CNN加速器可基本满足嵌入式领域大部分应用的算力需求。     

基于Zynq的图像角点及边缘检测系统的设计与实现

以Zynq芯片为基础,采用软硬件协同设计的方法设计并实现整个系统。Zynq芯片内部采用ARM+FPGA的异构架构,既具备ARM处理器的灵活性,又拥有FPGA并行处理的能力。本系统的设计充分发挥了Zynq芯片的优势,在软硬件划分上, 通过ARM处理器来实现图像的采集;图像角点及边缘检测用FPGA来完成,即通过硬件加速提升系统的整体性能。ARM处理器与FPGA通过AXI4总线进行数据交互,在Zynq上实现集图像采集、图像特征提取、图像显示为一体的片上系统。最终系统测试结果表明,采用硬件加速实现图像特征提取的相关算法比在ARM处理器软件上实现的算法的速度提高了6～8倍。