基于可重构计算平台的卷积神经网络算法芯片设计

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随着深度学习的快速发展,卷积神经网络算法(Convolutional Neural Networks,CNN)由于数据分类的高度准确性,在图像识别、目标检测以及语音识别等领域获得了广泛的应用。CNN卷积层以及全连接层占用大量计算内存,计算密集性很高,这导致现有的CPU和GPU难以满足其实时性要求。可重构计算系统可以通过配置重构的方式支持多种神经网络的训练及推理运算,兼顾高性能和通用性。本文基于一款可重构智能加速核平台设计了CNN的推理硬件加速,共完成以下两个方面工作:第一,探究了CNN算法基于类脉动阵列(Machine learning Unit Array,MU阵列)的设计方案,采用System C语言建立周期精确系统仿真模型,通过对建模结果的分析,其计算延迟明显低于采用加法树等结构的同类加速器。第二,基于MU阵列完成CNN算法的硬件实现,各隐藏层作为单独的算子分层计算。卷积计算中,MU阵列最大可以支持32路数据的并行计算。此外,数据缓存采取乒乓操作可以掩盖部分传输(计算)数据的时间,提高计算效率。对算法进行仿真验证和综合,基于Alex Net网络模型,本设计的有效吞吐率可达1.85TOPS,资源利用率高达92.43%。
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