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二值VGG卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器優(yōu)化設(shè)計(jì)

2021年電子技術(shù)應(yīng)用第2期

張旭欣，張嘉，李新增，金婕

上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海201600

摘要： 基于FPGA的二值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器研究大多是針對(duì)小尺度的圖像輸入，而實(shí)際應(yīng)用主要以YOLO、VGG等大尺度的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為骨干網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒘魉€等層面對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而解決邏輯資源以及性能瓶頸，實(shí)現(xiàn)輸入尺度更大、網(wǎng)絡(luò)層次更深的二值VGG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。采用CIFAR-10數(shù)據(jù)集對(duì)基于FPGA的VGG卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了81%的識(shí)別準(zhǔn)確率以及219.9 FPS的識(shí)別速度，驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 優(yōu)化設(shè)計(jì) 二值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) FPGA加速器

中圖分類號(hào)： TN402；TP183
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201207
中文引用格式： 張旭欣，張嘉，李新增，等. 二值VGG卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2021，47(2)：20-23.
英文引用格式： Zhang Xuxin，Zhang Jia，Li Xinzeng，et al. Optimization design of binary VGG convolutional neural network accelerator[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(2)：20-23.

Optimization design of binary VGG convolutional neural network accelerator

Zhang Xuxin，Zhang Jia，Li Xinzeng，Jin Jie

College of Electronic and Electrical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201600，China

Abstract： Most of the existing researches on accelerators of binary convolutional neural networks based on FPGA are aimed at small-scale image input, while the applications mainly take large-scale convolutional neural networks such as YOLO and VGG as backbone networks. The hardware of convolutional neural network is optimized and designed from the two aspects including the network topology and pipeline stage, so as to solve the bottleneck of logic resources and improve the performance of the binary VGG network accelerator. CIFAR-10 dataset resized to 224×224 was used to verify the optimized design of VGG convolutional neural network accelerator based on FPGA. Experimental results showed that the system achieved 81% recognition accuracy and 219.9 FPS recognition speed，which verified the effectiveness of the optimization method.

Key words : optimization design；binary convolutional neural network；FPGA accelerator

0 引言

深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network，CNN)已經(jīng)成為了當(dāng)前計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中最有前景的圖像分析方法之一。

近年來(lái)，隨著Binary-Net、Dorefa-Net、ABC-Net等^[1-3]低精度量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深入研究，越來(lái)越多的研究集中于在FPGA硬件中構(gòu)建定制的加速器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)CNN的加速^[4]。基于FPGA的低精度量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主要可分為兩類:流架構(gòu)^[5-6]和層架構(gòu)^[7-8]。其中，由于流架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了流水線化，每個(gè)階段都可以獨(dú)立處理輸入且可以針對(duì)CNN逐層設(shè)計(jì)并優(yōu)化相應(yīng)層的加速運(yùn)算單元，因此擁有更高的吞吐率和更低的延遲以及內(nèi)存帶寬，但其邏輯資源等消耗也相當(dāng)可觀。因此，現(xiàn)有的基于流架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的二值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器研究大多是針對(duì)32×32尺度MNIST數(shù)據(jù)集等小尺度的圖像輸入。而實(shí)際應(yīng)用中更多使用如448×448尺度的YOLO、224×224尺度的VGG等作為骨干網(wǎng)絡(luò)，一方面，大尺度輸入的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)量往往較大(以VGG為例，其參數(shù)量大約500 MB)，高端FPGA的片上內(nèi)存容量也僅32.1 Mb左右，這對(duì)FPGA實(shí)現(xiàn)CNN加速將是資源瓶頸。即使采用低精度量化策略，F(xiàn)PGA有限的片上內(nèi)存資源仍捉襟見肘。另一方面，雖然各層運(yùn)算單元可以得到特定優(yōu)化，然而由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制，往往各層網(wǎng)絡(luò)很難實(shí)現(xiàn)計(jì)算周期的匹配，從而造成推斷性能難以進(jìn)一步提高。針對(duì)基于流架構(gòu)的二值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器設(shè)計(jì)存在的資源與性能的瓶頸，本文以224×224尺度的VGG-11網(wǎng)絡(luò)加速器設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)研究了大尺度的二值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件加速器設(shè)計(jì)、優(yōu)化及驗(yàn)證，主要工作如下：

(1)針對(duì)大尺度流架構(gòu)的二值VGG卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器設(shè)計(jì)存在的資源與性能瓶頸，提出了網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化和流水線優(yōu)化的方法。

(2)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了224×224尺度的基于流架構(gòu)的二值VGG卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。實(shí)驗(yàn)表明基于FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了81%的準(zhǔn)確率，219.9 FPS的識(shí)別速度，相較于同類型的加速器識(shí)別速度最高提升了33倍。

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作者信息:

張旭欣，張嘉，李新增，金婕

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海201600)

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