基于FPGA的卷积神经网络的设计与实现

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CPU、GPU是深度学习中现今较为常用的加速手段,在功耗、节约空间和兼顾速度的角度上来说,可编程逻辑器件FPGA在深度学习中的运用是较为合理的选择。由于卷积神经网络中的计算过程具有层间的独立性和层中的并行性的特点,使得FPGA在深度学习使用的实际应用中有加速的可行性。
  因此,本文的的研究思路是利用FPGA的特性,针对特定的网络模型,完成卷积神经网络模型的前向传播过程,节约卷积神经网络中的训练整体时间。本系统对网络模型的各层的运算过程进行分析,用硬件算法进行设计和各层的连接,实现前向传播过程的高效、快速的目的。
  本文选用的网络模型为AlphaGo中所采用的Policy网络模型,其中包含卷积层、激活函数、Scale层和Loss层,针对的问题为围棋走子预测。在本系统完成的模型中,卷积层深度高达13层,通过各层参数划分为三个部分,并在卷积层中设计并行处理模块进行加速。所使用的FPGA为VCU118开发板,充分利用片上资源,实现完整的前向传播过程。相比于CPU和GPU,在使用同样的网络模型的情况下,进行了每次前向传播计算过程准确性和运算速度的对比,能够达到对CPU的加速比为56倍,对GPU的加速比为2.50倍,实现了FPGA硬件平台的加速目的。因此,该系统实现了预期的卷积神经网络的前向传播计算功能,并且能够完成基于FPGA平台的加速需求。
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