Xilinx Zynq系列FPGA實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)資源評估

0、Zynq7000系列概覽

1、內(nèi)存占用

1.1 FPGA程序中內(nèi)存的實現(xiàn)方式

參閱xilinx文檔UG998

FPGA并沒有像軟件那樣用已有的cache，F(xiàn)PGA的HLS編譯器會在FPGA中創(chuàng)建一個快速的memory architecture以最好的適應(yīng)算法中的數(shù)據(jù)樣式（data layout）。因此FPGA可以有相互獨立的不同大小的內(nèi)部存儲空間，例如寄存器，移位寄存器，F(xiàn)IFOs和BRAMs。

寄存器：最快的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，集成在在運算單元之中，獲取不需要額外的時延。

移位寄存器：可以被當(dāng)作一個數(shù)據(jù)序列，每一個數(shù)據(jù)可以在不同的運算之中被重復(fù)使用。將其中所有數(shù)據(jù)移動到相鄰的存儲設(shè)備中只需要一個時鐘周期。

FIFO：只有一個輸入和輸出的數(shù)據(jù)序列，通常被用于循環(huán)或循環(huán)函數(shù)，細節(jié)會被HLS編譯器處理。

BRAM：集成在FPGA fabric模塊中的RAM，每個xilinx的FPGA中集成有多個這樣的BRAM?？梢员划?dāng)作有以下特性的cache：1.不支持像處理器cache中那樣的緩存一致性（cache coherency,collision）,不支持處理器中的一些邏輯類型。2.只在設(shè)備有電時保持內(nèi)存。3.不同的BRAM塊可以同時傳輸數(shù)據(jù)。

1.2?Zynq的BRAM內(nèi)存大小

zynq 7z020的BRAM為4.9Mb，7z035的BRAM為17.6Mb（2.2MB）

1.3?一個卷積操作占用的內(nèi)存

例如，我們實現(xiàn)的卷積函數(shù)，輸入27×600，卷積核16×27，輸出16×600，數(shù)據(jù)類型為float。

  //convolution operation????????for (i = 0; i < 16; i++) {    for (j = 0; j < 600; j++) {      result = 0;      for (k = 0; k < 27; k++) {        temp = weights[i*27+k] * buf_in[k*600+j];        result += temp;      }      buf_out[i*600+j] = result;    }  }

在HLS中生成的IPcore占用硬件資源為：

在vivado中搭建好系統(tǒng)，占用的資源為：

2、PipeCNN可實現(xiàn)性

PipeCNN是一個基于OpenCL的FPGA實現(xiàn)大型卷積網(wǎng)絡(luò)的加速器。

PipeCNN解析文檔：

PipeCNN論文解析：用OpenCL實現(xiàn)FPGA上的大型卷積網(wǎng)絡(luò)加速

github地址：https://github.com/doonny/PipeCNN#how-to-use

2.1 已實現(xiàn)的PipeCNN資源消耗

對于Altera FPGA，運用?Intel's OpenCL SDK?v16.1 toolset.

對于Xilinx FPGAs, the?SDAccel?development environment v2017.2 can be used.

Xilinx's?KCU1500?(XCKU115 FPGA)（已經(jīng)有xilin的板子實現(xiàn)過pipeCNN，但是型號比zynq高很多）

硬件資源可以被三個宏調(diào)控，device/hw_param.cl. Change the following macros

VEC_SIZE

LANE_NUM

CONV_GP_SIZE_X

消耗資源為：

3、實現(xiàn)大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法

方案一：壓縮模型到<2.2MB，可實現(xiàn)在BRAM中

優(yōu)點：1.速度快 2.實現(xiàn)方便

缺點：1.模型壓縮難度 2.難以實現(xiàn)大型網(wǎng)絡(luò)

方案二：用FPGA調(diào)用DDR

優(yōu)點：1.速度中等 2.可實現(xiàn)大型網(wǎng)絡(luò)

缺點：調(diào)用DDR有難度，開發(fā)周期長

方案三：用片上單片機調(diào)用DDR（插入SD卡）分包傳入IPcore運算

優(yōu)點：可實現(xiàn)大型網(wǎng)絡(luò)

缺點：速度較慢

4、Virtex-7高端FPGA概覽

Virtex-7為高端FPGA，比Zynq高了一個檔次。