賽靈思FPGA成為設(shè)計(jì)人員構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的首選

憑借出色的性能和功耗指標(biāo)，賽靈思 FPGA 成為設(shè)計(jì)人員構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的首選。新的軟件工具可簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)工作。

人工智能正在經(jīng)歷一場(chǎng)變革，這要得益于機(jī)器學(xué)習(xí)的快速進(jìn)步。在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，人們正對(duì)一類名為“深度學(xué)習(xí)”算法產(chǎn)生濃厚的興趣，因?yàn)檫@類算法具有出色的大數(shù)據(jù)集性能。在深度學(xué)習(xí)中，機(jī)器可以在監(jiān)督或不受監(jiān)督的方式下從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)一項(xiàng)任務(wù)。大規(guī)模監(jiān)督式學(xué)習(xí)已經(jīng)在圖像識(shí)別和語音識(shí)別等任務(wù)中取得巨大成功。

深度學(xué)習(xí)技術(shù)使用大量已知數(shù)據(jù)找到一組權(quán)重和偏差值，以匹配預(yù)期結(jié)果。這個(gè)過程被稱為訓(xùn)練，并會(huì)產(chǎn)生大型模式。這激勵(lì)工程師傾向于利用專用硬件（例如 GPU）進(jìn)行訓(xùn)練和分類。

隨著數(shù)據(jù)量的進(jìn)一步增加，機(jī)器學(xué)習(xí)將轉(zhuǎn)移到云。大型機(jī)器學(xué)習(xí)模式實(shí)現(xiàn)在云端的 CPU 上。盡管 GPU 對(duì)深度學(xué)習(xí)算法而言在性能方面是一種更好的選擇，但功耗要求之高使其只能用于高性能計(jì)算集群。因此，亟需一種能夠加速算法又不會(huì)顯著增加功耗的處理平臺(tái)。在這樣的背景下，F(xiàn)PGA 似乎是一種理想的選擇，其固有特性有助于在低功耗條件下輕松啟動(dòng)眾多并行過程。

讓我們來詳細(xì)了解一下如何在賽靈思 FPGA 上實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （CNN）。CNN 是一類深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在處理大規(guī)模圖像識(shí)別任務(wù)以及與機(jī)器學(xué)習(xí)類似的其他問題方面已大獲成功。在當(dāng)前案例中，針對(duì)在 FPGA 上實(shí)現(xiàn) CNN 做一個(gè)可行性研究，看一下 FPGA 是否適用于解決大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)問題。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （DNN），工程師最近開始將該技術(shù)用于各種識(shí)別任務(wù)。圖像識(shí)別、語音識(shí)別和自然語言處理是 CNN 比較常見的幾大應(yīng)用。

什么是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （DNN），工程師最近開始將該技術(shù)用于各種識(shí)別任務(wù)。圖像識(shí)別、語音識(shí)別和自然語言處理是 CNN 比較常見的幾大應(yīng)用。

2012 年，Alex Krishevsky 與來自多倫多大學(xué) （University of Toronto） 的其他研究人員 ［1］ 提出了一種基于 CNN 的深度架構(gòu)，贏得了當(dāng)年的“Imagenet 大規(guī)模視覺識(shí)別挑戰(zhàn)”獎(jiǎng)。他們的模型與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手以及之前幾年的模型相比在識(shí)別性能方面取得了實(shí)質(zhì)性的提升。自此，AlexNet 成為了所有圖像識(shí)別任務(wù)中的對(duì)比基準(zhǔn)。

AlexNet 有五個(gè)卷積層和三個(gè)致密層（圖 1）。每個(gè)卷積層將一組輸入特征圖與一組權(quán)值濾波器進(jìn)行卷積，得到一組輸出特征圖。致密層是完全相連的一層，其中的每個(gè)輸出均為所有輸入的函數(shù)。

卷積層

AlexNet 中的卷積層負(fù)責(zé)三大任務(wù)，如圖 2 所示：3D 卷積；使用校正線性單元 （ReLu） 實(shí)現(xiàn)激活函數(shù)；子采樣（最大池化）。3D 卷積可用以下公式表示：

其中Y （m，x，y） 是輸出特征圖 m 位置 （x，y） 處的卷積輸出，S 是 （x，y） 周圍的局部鄰域，W 是卷積濾波器組，X（n，x，y）是從輸入特征圖 n 上的像素位置 （x，y） 獲得的卷積運(yùn)算的輸入。

所用的激活函數(shù)是一個(gè)校正線性單元，可執(zhí)行函數(shù) Max（x，0）。激活函數(shù)會(huì)在網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)中引入非線性。最大池化是 AlexNet 中使用的子采樣技術(shù)。使用該技術(shù)，只需選擇像素局部鄰域最大值傳播到下一層。

定義致密層

AlexNet 中的致密層相當(dāng)于完全連接的層，其中每個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)與每個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)相連。AlexNet 中的第一個(gè)致密層有 9，216 個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)。將這個(gè)向量乘以權(quán)值矩陣，以在 4，096 個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生輸出。在下一個(gè)致密層中，將這個(gè) 4，096 節(jié)點(diǎn)向量與另一個(gè)權(quán)值矩陣相乘得到 4，096 個(gè)輸出。最后，使用 4，096 個(gè)輸出通過 softmax regression 為 1，000 個(gè)類創(chuàng)建概率。

在 FPGA 上實(shí)現(xiàn) CNN

隨著新型高級(jí)設(shè)計(jì)環(huán)境的推出，軟件開發(fā)人員可以更方便地將其設(shè)計(jì)移植到賽靈思 FPGA 中。軟件開發(fā)人員可通過從 C/C++ 代碼調(diào)用函數(shù)來充分利用 FPGA 與生俱來的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)。Auviz Systems 的庫（例如 AuvizDNN）可為用戶提供最佳函數(shù)，以便其針對(duì)各種應(yīng)用創(chuàng)建定制 CNN。可在賽靈思 SD-Accel? 這樣的設(shè)計(jì)環(huán)境中調(diào)用這些函數(shù)，以在 FPGA 上啟動(dòng)內(nèi)核。

最簡(jiǎn)單的方法是以順序方式實(shí)現(xiàn)卷積和向量矩陣運(yùn)算。考慮到所涉及計(jì)算量，因此順序計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大時(shí)延。

順序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)生很大時(shí)遲的主要原因在于 CNN 所涉及的計(jì)算的絕對(duì)數(shù)量。圖 3 顯示了 AlexNet 中每層的計(jì)算量和數(shù)據(jù)傳輸情況，以說明其復(fù)雜性。

因此，很有必要采用并行計(jì)算。有很多方法可將實(shí)現(xiàn)過程并行化。圖 6 給出了其中一種。在這里，將 11x11 的權(quán)值矩陣與一個(gè) 11x11 的輸入特征圖并行求卷積，以產(chǎn)生一個(gè)輸出值。這個(gè)過程涉及 121 個(gè)并行的乘法-累加運(yùn)算。根據(jù) FPGA 的可用資源，我們可以并行對(duì) 512 抑或 768 個(gè)值求卷積。

為了進(jìn)一步提升吞吐量，我們可以將實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行流水線化。流水線能為需要一個(gè)周期以上才能完成的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量，例如浮點(diǎn)數(shù)乘法和加法。通過流水線處理，第一個(gè)輸出的時(shí)延略有增加，但每個(gè)周期我們都可獲得一個(gè)輸出。

使用 AuvizDNN 在 FPGA 上實(shí)現(xiàn)的完整 CNN 就像從 C/C++ 程序中調(diào)用一連串函數(shù)。在建立對(duì)象和數(shù)據(jù)容器后，首先通過函數(shù)調(diào)用來創(chuàng)建每個(gè)卷積層，然后創(chuàng)建致密層，最后是創(chuàng)建 softmax 層，如圖 4 所示。

AuvizDNN 是 Auviz Systems 公司提供的一種函數(shù)庫，用于在 FPGA 上實(shí)現(xiàn) CNN。該函數(shù)庫提供輕松實(shí)現(xiàn) CNN 所需的所有對(duì)象、類和函數(shù)。用戶只需要提供所需的參數(shù)來創(chuàng)建不同的層。例如，圖 5 中的代碼片段顯示了如何創(chuàng)建 AlexNet 中的第一層。

AuvizDNN 提供配置函數(shù)，用以創(chuàng)建 CNN 的任何類型和配置參數(shù)。AlexNet 僅用于演示說明。CNN 實(shí)現(xiàn)內(nèi)容作為完整比特流載入 FPGA 并從 C/C++ 程序中調(diào)用，這使開發(fā)人員無需運(yùn)行實(shí)現(xiàn)軟件即可使用 AuvizDNN。

FPGA 具有大量的查找表 （LUT）、DSP 模塊和片上存儲(chǔ)器，因此是實(shí)現(xiàn)深度 CNN 的最佳選擇。在數(shù)據(jù)中心，單位功耗性能比原始性能更為重要。數(shù)據(jù)中心需要高性能，但功耗要在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器要求限值之內(nèi)。

像賽靈思 Kintex? UltraScale? 這樣的 FPGA 器件可提供高于 14 張圖像/秒/瓦特的性能，使其成為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的理想選擇。圖 6 介紹了使用不同類型的 FPGA 所能實(shí)現(xiàn)的性能。

一切始于 C/C++

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)備受青睞，并大規(guī)模部署用于處理圖像識(shí)別、自然語言處理等眾多任務(wù)。隨著 CNN 從高性能計(jì)算應(yīng)用 （HPC） 向數(shù)據(jù)中心遷移，需要采用高效方法來實(shí)現(xiàn)它們。

FPGA 可高效實(shí)現(xiàn) CNN。FPGA 的具有出色的單位功耗性能，因此非常適用于數(shù)據(jù)中心。

AuvizDNN 函數(shù)庫可用來在 FPGA 上實(shí)現(xiàn) CNN。AuvizDNN 能降低 FPGA 的使用復(fù)雜性，并提供用戶可從其 C/C++ 程序中調(diào)用的簡(jiǎn)單函數(shù)，用以在 FPGA 上實(shí)現(xiàn)加速。使用 AuvizDNN 時(shí)，可在 AuvizDNN 庫中調(diào)用函數(shù)，因此實(shí)現(xiàn) FPGA 加速與編寫 C/C++ 程序沒有太大區(qū)別。

參考資料

1. A. Krizhevsky， I. Sutskever， G. E. Hinton， “深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的ImageNet分類”，神經(jīng)信息處理系統(tǒng)發(fā)展，2012

圖 1 – AlexNet 是一種圖像識(shí)別基準(zhǔn)，包含五個(gè)卷積層（藍(lán)框）和三個(gè)致密層（黃）。

圖 2 – AlexNet 中的卷積層執(zhí)行 3D 卷積、激活和子采樣。

圖 3 – 圖表展示了 AlexNet 中涉及的計(jì)算復(fù)雜性和數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量。

圖 4 - 實(shí)現(xiàn) CNN 時(shí)的函數(shù)調(diào)用順序。

圖 5 – 使用 AuvizDNN 創(chuàng)建 AlexNet 的 L1 的代碼片段。

圖 6 – AlexNets 的性能因 FPGA 類型不同而不同。