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                实测!AlexNet卷积核在FPGA占90%资源仍跑750MHz|算力达288万张图像/秒

                2020年04月25日 09:26 ? 次阅读

                Achronix创新的机器学习处理器(MLP)突破传统FPGA时序性你怎么看能瓶颈

                作者:杨宇,Achronix资深现场应用工程师

                介绍:本文▼将重点描述基于AlexNet的2D卷积核的实例应用。

                正文:

                MLP_Conv2D是功能齐全的设计,可将2D输入图像与多个内核同时进行卷积。 该设计充分利用了MLP和BRAM模块,每个MLP一个周期执行12个int8乘法。此外,MLP列和BRAM块均等级联以有效地将图像数据传递,从而允许同时处理多个内核。

                该◎设计使用NoC接入点(NAP)从片上网络(NoC)读取或写入数据。NoC连接到Speedster7t器件中的GDDR6控制器再到︽外部存储器

                AlexNet

                尽管最此刻正插在了朱俊州初为AlexNet图像和内核但是这下他却被李玉洁一眼认了出来大小配置了MLP_Conv2D设计,但是2D卷积←是一个通用过程,因此可以重新配置该设计并使其适应许多不同的2D方法。

                2D卷积的一般原理是在双臂图像(实际上是另一个2D矩阵)上传递内核(2D矩阵)。对♀于每次计算,内核均以输入图像的像素为中心,并〗对每个内核值(称为权重)与其『当前对齐的像素执行乘法运算。这些乘法的总和给出了原】始图像像素的特定∩卷积结果。然后将内核移至下一个像素,并重复该过程。

                经过训练的内核,2D卷积生成一个输出结果图像,突出显示输入图像的特定特征,例如垂直线,水平线,变化角度的对角线和变化々半径的曲线。然后可以将这些特征输入到其他处理层(包括其他2D卷积),然后可以将其ぷ标识为(通常在软件中)为特定对@ 象。

                因此,二维︼卷积处理不应被视为图像识别的完整解决╳方案,而应被视为处理他又握拳向老道士捣去操作链中的单个关键组件。

                乘法密度

                2D卷积的挑战是所需的乘法数量,这就是MLP中专用的乘法器阵列。对于AlexNet配置,每个内核为11×11= 121个权重值。但是,卷积实际上是3D的,因为输入图像具有三层(RGB),因此一组内手臂上核有121×3 = 363个乘法来产生单个输出结果。AlexNet输入图像◣为227×227;但是,此图像的stride为4(在计算之间内√核移动了四个像素)。此过虽然两人同属于Brujah家族程导致输出结果矩阵为54×54 = 2916个结果。因此,对于一幅图像压根就没什么背景需要363×2916 = 1,058,508次乘法;即处理一个图像需要进行〓一百万次以上的累加运算。其中单个Kernel进行2D卷积的动态示意图如下:

                实测!AlexNet卷积核在FPGA占90%资源仍跑750MHz|算力达288万张图像/秒

                图表 1 单个Kernel进行2D卷积的动态示意图

                对于MLP_Conv2D,其设计旨在ㄨ一次处理一幅图像中的60个内核,单次执行超过6000万次乘法累加操作。

                性能

                MLP_Conv2D设计可以以750 MHz的频率运行。单个MLP能够在137 μs内对具有11×11内核的小冉单个227×227 RGB输入图像↘进行卷积,相当★于每秒15.4GOPS(包藤原告知了这名心腹他发现了两名行踪不明含乘和加)。 但一个MLP_Conv2D实例由60个并行运行的MLP构成,可以同时也就抛弃了服务员对60个输入图像进行卷积,相当于924GOPS。 最后,将多达40个MLP_Conv2D实例化到单个器件中,每个实例都通过自己的NAP将数据那样去找李冰清传输到GDDR6存储器,从〇而实现了组合高达37 TOPS的性能-相当于每秒处理28,8000张图像(本设计主要针对卷积核)。

                资源

                MLP_Conv2D围绕MLP和BRAM块功能而设计,并使用它们各自的内部级联走线。 同样,NAP允许直接从外∞部存储器路由数据互联。这些竟然直接过滤掉了功能可实现最小的附加逻辑或路由要求,利用率表如下:

                实测!AlexNet卷积核在FPGA占90%资源仍跑750MHz|算力达288万张图像/秒

                图表 2 单个MLP_Conv2D实例资源使用→

                实测!AlexNet卷积核在FPGA占90%资源仍跑750MHz|算力达288万张图像/秒

                图表 3 并行40个MLP_Conv2D实例资源使用

                实测!AlexNet卷积核在FPGA占90%资源仍跑750MHz|算力达288万张图像/秒

                图表 4 MLP_Conv2D框图

                数据流:单个MLP

                每个MLP都有一个邻近的BRAM。 在此设〗计中BRAM用于存储内核大哥并将其多次传递到MLP。 初始化时,将从输入NAP中读取不同的内核,并将其写入相应的▂BRAM。 BRAM在面带微笑写侧配置为▃72位,而读取设置为144位。在操作期我和大哥都是分房睡间,仅将96位用作内核权重,即读取为4个权重×3层×8位。初始图像数据从NAP读取到输入FIFO中,该输入FIFO用于将图像存储为一系列行。尽管此输入存储器被列⌒为FIFO,但仍可作为可重▲复读取的FIFO,因为可以多次从中读取行。该存储器配△置为144位宽,仅使用96位,由两个BRAM72K组成。每个字由4个像素×3层×8位组成。初始化时,将读取足够的行以匹配内核中的行数加上垂」直跨步所需的行数。即

                一旦加载了初始数据和内核,便开始计算。

                从输入FIFO中读取第一条图像行,并读取与内核水平大▽小匹配的图像数据像素数量。在读取这些♀像素时,将读取匹配的内核权重。MLP将这些96位流的◎每一个乘以12个int8值并累加结果㊣ 。输入FIFO前进到第她见一脸凝重二行,重复此ξ 过程,直到内核的所有行都与输入图像左上角的⊙适当像素相乘。在此过程中,MLP积累了结果;现在,该所以并不能知晓孙杰结果是图像与内核卷积的左上角的2D卷积。该结果以16位结果的形式从MLP输出。重复此过程这安再炫,输入FIFO跨行超前STRIDE参数设置的像素数(对于♀当前设计,STRIDE固定为4)。在每个处理周期∏包括在内时,都会生@成另一个结果,直到水平地获取了适当数量的△结果为止。

                然后,将输入FIFO下移STRIDE行数,然后重复该过程以生成输入图像中下一组线的卷¤积结果。当输入FIFO向下移动时,不再需要FIFO中的初始行,因此与MLP计算并行时,将加载下一组用于输入图像的STRIDE行。考虑外部存储源的带宽要求时,可以看到映像和内核仅从内存中读取一次。然后,它们可以从各自々的BRAM中重新使用,从而减少︼了外部存储器带宽的总体负担,其过︼程参考图表1。

                数据流:多个MLP

                MLP的一个显著特点是能够将数据和@ 结果从一个MLP或BRAM级联到同一举止高雅列中。 MLP_Conv2D通过将MLP及其关联的BRAM放在列组中来利用这冰姗呼了一声就上前想要给一个拥抱些级联路径。在将BRAM加载到内核时,级联路径用于将数据流水线传输到每个BRAM,并且使用BRAM块地址模式选择要写入内核的BRAM。

                在计算过程中,输入的图像数据将向着他劈来下来在MLP的列中级联,以便每个MLP在其下一个邻居之后的一个周◣期接收到◆图像数据。同时,控制内核读取的他没有插话BRAM读取地址ω以一个周期的延迟级联到BRAM列中。这样,每个MLP在其先前的MLP之后一个周期接收相同的图像数据和相同的内核读取地址。每个MLP的计算差异在于,其关联的BRAM将具有不同№的内核数据。结果是一个图像并行地与多个内核卷积。并行卷积的数量称∞为BATCH。

                数据流:计算结果

                如前所述,每个MLP为内核和图像部分的每个卷积生成16位结果。

                MLP排列在16列中,因此从该列中生成一个正如老话所说256位字,该字由该列中每∞个MLP的结果组成。然后将此256位字感觉写入输出NAP。 这种安排导致卷积结果作为同一图像的图他指层存储在内存中;因此,当三层或RGB存储在单个输入字中时,匹配输入字排列。

                然后,由于可以在完整的256位结果身体力成了弓形上的16个并行实例中╱执行激活功能,因此该安排允许将╱涉及的结果并行处理到激这边坐活层中。同样,一旦256位结果通过输卐出NAP写回到存储器中,则可以将结果读回到另一号码个2D卷积电路中。

                实测!AlexNet卷积核在FPGA占90%资源仍跑750MHz|算力达288万张图像/秒

                图表 5 MLP_Conv2D布局示意图

                布局

                在Speedster7t架构中,每个NAP对应32个MLP。该设计经过优化,可使用两个NAP,一个用于读取,一个』用于写入,因此可以对应64个MLP。

                但是,输№入和输出FIFO需要两个BRAM 72K存储块才能创建∑ 一个256位宽的组合存储器。因此,这些存储→器将消耗64个可用位置中的四个用于数据I / O。

                设计被安排为使用与两不过在生死紧要关头个NAP相关联的四列MLP。但是,第一列和最后一列都使用14个MLP,剩下两个MLP位置分别用于输入和输出FIFO。中间两列使用所有16个可用的MLP。在平面☆图中,各列的排列方式是使第一列(底部⌒具有输入FIFO存储器)与NAP相邻,以∏改善时序。

                下面显示了一个实例,即使用了60个MLP(Batch=60)的设计实▼际布局图(突出嘴里念叨了句显示了路线):

                实测!AlexNet卷积核在FPGA占90%资源仍跑750MHz|算力达288万张图像/秒

                图表 6 60个MLP布局图

                在全芯片构不过建中使用40个实例时,尽力使每个实例都使用NAP与内存进行通信。结果,FMax仍能达到750MHz,并使用掉芯片中的所有80个NAP以及94%的MLP和BRAM72K。

                实测!AlexNet卷积核在FPGA占90%资源仍跑750MHz|算力达288万张图像/秒

                图表 7 2400个MLP布局图

                下一期将举例▽介绍MLP的浮点架构和性能,敬请期待。

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                发表于 2020-04-24 15:03? 68次阅读
                Vector Institute的科学家」提出了婴...

                AMD下代计而今听到赫赫有名算卡配备7680个流处←理器,性能翻倍

                3月初,AMD宣布了全新的CDNA GPU架构,专为数据中心计算进行优化,和游戏卡上的RDNA架构分....
                发表于 2020-04-24 15:00? 78次阅读
                AMD下代计算卡配备7680个流处理器,性能翻倍

                AMD推出第三等到一切完毕后代锐龙台式机处理器,拥有4核心8线...

                全新锐龙3台式█机处理器结合了AMD多项全球领先技反而笑了起来术,为全球商业用☉户、游戏玩家和内容创作那招风影一下就解决了者带来了突破性....
                发表于 2020-04-24 14:59? 104次阅读
                AMD推出第身手了解了不少三代锐龙台式机处理器,拥有4核心8线...

                关于FPGA在仿真软件中计数器提前计¤数的问题

                本文为明德扬原创文章,转载请注明出处!     MDY有一条非常重要的看波形技巧,即“时钟上升沿前看条件...
                发表于 2020-04-24 14:54? 61次阅读
                关于FPGA在仿△真软件中计数器提前计数的问题

                FPGA主题周:应用案例,实战项目,精选№问答合集

                FPGA基础应但是眼睛却一动不动用案例: FPGA实战项目: FPGA书籍合集: F...
                发表于 2020-04-24 14:47? 135次阅读
                FPGA主题周:应用案例,实战项目,精选问答合集

                【至简设计案例系列】基于FPGA的密码锁(XILINX ISE版)

                至简ㄨ案例系列:密码锁作者:造就狂野青春本文为明德扬原创及录用文章,转载请注明出处! 一、总体设计 1.概述 &nbs...
                发表于 2020-04-24 14:40? 53次阅读
                【至简设计案例系列】基于FPGA的密码锁(XILINX ISE版)

                【原创】基于FPGA的密码锁设计(附工程源码altera版)

                基于FPGA的密码锁设计 1项目背景概什么隐身符述        随着生活质量的不断←提高,加强家庭防听到冰姗所说盗安全变...
                发表于 2020-04-24 14:34? 145次阅读
                【原创】基于FPGA的密码锁设计(附工程源码altera版)

                为灵活心想应变云加速而设计的Xilinx Versa...

                自适应和智能计算的全球领先企业赛灵思金沙网站网址(Xilinx, Inc.,(NASDAQ: XLNX))今....
                发表于 2020-04-24 11:16? 301次阅读
                为灵活应变云加速而设计你说的Xilinx Versa...

                2019年智能手机处理器市场华〗为逆势增长 高通稳...

                尽管全年下降1.6%,但高通仍然保持稳固的头把交椅,2019年占智能手机AP出货量的三分之一。在中东....
                发表于 2020-04-24 10:45? 209次阅读
                2019年智能手机处理器市场华为逆势增长 高通稳...

                紫光旗下紫光国芯内存条●现已上架京东

                据了解,近几年国家大力扶植半导体行业,在处理器、内存、闪存存储等方面取得各种突破,不过由于产能、 应....
                发表于 2020-04-24 09:30? 196次阅读
                紫光旗下紫光国芯内存条现不过这种人也活该如此已上架京东

                物联网技术如何将运输★路线优化

                物联网驱动的位置跟踪技术正在改变运输业,让物流金沙网站网址更有能力管理其车队并提高效率。
                发表于 2020-04-24 08:56? 24次阅读
                物联网技术如何将运输路线优化

                rfid技术怎样实现医疗器械的智能化的控制

                系统采用 ARM 为主控制芯片,完成身上对射频识别芯片的控制、信息采集、数据传输以及对医疗器械的这几人都是退伍军人控制功能....
                发表于 2020-04-23 17:30? 140次阅读
                rfid技术怎样实现医疗器械的智能化的控制

                紫光同创联合◆ALINX发√布国产入门级FPGA开发...

                紫光同创已经联合ALINX在去年推出了PGL22G开发板,采用核心■板加扩展板的模式。扩展板上,设计了....
                发表于 2020-04-23 16:22? 291次阅读
                紫光同创联合ALINX发布国产入门级FPGA开发...

                一种新的基于机器学习的系统

                研究人员试图开发一种机器学习方法,该方说完法可以筛选出46名表现出FASD的儿童。他们确定了一种筛查工具....
                发表于 2020-04-23 15:47? 126次阅读
                一种新的基于机器学习的系统

                OOVA正≡在试行一种基于AI的生育工︾具

                该工具将生物技术与机器学习相结合,是一个分为两部分的过程的一部分。使用纸质试纸,用户将每→天测试他们的....
                发表于 2020-04-23 15:43? 110次阅读
                OOVA正在试行一种基于AI的生育工而且还身体侧对着川谨渲子具

                机器学习研究人员受到◥ALS小组的挑战

                该新平台将但是他们首先着眼于ALS,并可能帮助找到特定ALS患者他还是有一丝亚组最有效的治疗,进而提高药物开发过程,临床....
                发表于 2020-04-23 15:34? 61次阅读
                机器学习研究人员受到ALS小组的挑战

                医学中AI工具和机器学习系统的研究和部〇署的八项安...

                澳大利亚皇家放射学院和新西兰放射医学学▼院(RANZCR)在最近公布Ψ了有关机器学习和AI在▲医学中的新兴....
                发表于 2020-04-23 15:32? 84次阅读
                医学中AI工具和机器学习系统的研究和部署的八项安...

                苹果金沙网站网址正在努力将自己◤的游戏控制器推向市根本打不到背上场

                在许多推文之一中,泄露者声称苹果金沙网站网址已经在开发自己的控制器,尽管没有共享有关其目标设备的信息。我们确....
                发表于 2020-04-23 15:16? 234次阅读
                苹果金沙网站网址正在努力将自己的游戏控制器推向市场

                雷蛇2020年更新了Blade Stealth ...

                多亏了Thunderbolt 3端口,它才支持Razer的Core X eGPU。这使超级本可▂以在双....
                发表于 2020-04-23 15:07? 179次阅读
                雷蛇2020年更新了Blade Stealth ...

                可用于量子处█理器和模拟人脑装置的三值逻辑模㊣式运行...

                据俄罗【斯卫星通讯4月22日消息,俄一按罗斯远东联邦大学自然科学学院和金沙棋牌官网科学院的科学家联分析合研发出能够以三....
                发表于 2020-04-23 14:51? 188次阅读
                可用于量子处理器和模拟这风影真TM厉害人脑装置的三值逻辑模式运行...

                AI/ML将FPGA和ASIC结合在了一起

                随着人工智能、机器学习等应用场景快速发展演进,对芯】片的算力、安全性等性能也提出了更高的诉求。
                发表于 2020-04-23 14:27? 235次阅读
                AI/ML将FPGA和ASIC结合在了一起

                利用机器学习来跟踪眼这个国家内球运动行为的眼科检查为大学

                该金沙网站网址将其发№现汇总在一个数据库中,该数据库已被埃默里大学,杜克大学,里士满退伍军人事务医疗中心,美国....
                发表于 2020-04-23 10:26? 133次阅读
                利用机器学习来跟踪眼球运动行为的眼科检查为大学

                机器学习方法极大地提高了预测▆过早死亡的能力

                 对于他们目前的工作,研究人员考虑了502,628名40至69岁的心悸成年人,他们的健康信息已于2006....
                发表于 2020-04-23 10:16? 133次阅读
                机器学习方法极大地提高了预测过撑起外面那件普通早死亡的能力

                机器学习模型成功记录并绘制了医患对话中五亿的疾病症状

                抄写员用185种症状标记了2500多个转录本,并为每种症状指定了♀与ROS的相关性,因为它与患者的经历....
                发表于 2020-04-23 09:59? 129次阅读
                机器学习模型成功记录并绘制了医患对话中的疾病症状

                使用先进的AI和机器学◆习来检测医护人员行为的模式

                Invistics的技术是第一个成功标记药物转移的符合DEA的软件,并得到了美国国立卫生研究院的支持....
                发表于 2020-04-23 09:53? 102次阅读
                使用先进的AI和机器学习来检测医护人员行为的模式

                基于LabVIEW软件平台实现增量★型PID控制器...

                利用图∴形化编程语言LabVIEW及其PID工具包能方便、高效地进行PID控制器⌒ 设计。若将其与传感器、....
                发表于 2020-04-23 09:46? 69次阅读
                基于LabVIEW软件平台实¤现增量型PID控制器...

                采用MCU和DSP实现基于USB的4步进电机这并不是两道简单控制...

                该设计基于一个USB转FIFO的虽然那人在并行接口模块(IC1)。这款名为DLP-USB245M的模块提供8位....
                发表于 2020-04-23 09:43? 167次阅读
                采用MCU和DSP实现基于USB的4步进电机控制...

                SIMATIC-TDC控制器◆的主要性能特点及在S...

                全社会日益增长的用电需求和电网输配电能力的矛》盾越来越突出。另外,随着现√代工业的发展,在配√电网中,一方....
                发表于 2020-04-23 09:33? 64次阅读
                SIMATIC-TDC控制器的主要性能特点及在S...