云中的机器学习:FPGA 上的深度神经网络
人工智能正在经历一场变革,这要得益于机器学习的快速进步。在机器学习领域,人们正对一类名为“深度学习”算法产生浓厚的兴趣,因为这类算法具有出色的大数据集性能。在深度学习中,机器可以在监督或不受监督的方式下从大量数据中学习一项任务。大规模监督式学习已经在图像识别和语音识别等任务中取得巨大成功。 深度学习技术使用大量已知数据找到一组权重和偏差值,以匹配预期结果。这个过程被称为训练,并会产生大型模式。这激励工程师倾向于利用专用硬件(例如 GPU)进行训练和分类。 随着数据量的进一步增加,机器学习将转移到云。大型机器学习模式实现在云端的CPU 上。尽管 GPU对深度学习算法而言在性能方面是一种更好的选择,但功耗要求之高使其只能用于高性能计算集群。因此,亟需一种能够加速算法又不会显著增加功耗的处理平台。 在这样的背景下,FPGA似乎是一种理想的选择,其固有特性有助于在低功耗条件下轻松启动众多并行过程。 让我们来详细了解一下如何在赛灵思FPGA 上实现卷积神经网络 (CNN)。CNN是一类深度神经网络,在处理大规模图像识别任务以及与机器学习类似的其他问题方面已大获成功。在当前案例中,针对在FPGA 上实现 CNN做一个可行性研究,看一下 FPGA 是否适用于解决大规模机器学习问题。 卷积神经网络是一种深度神经网络 (DNN),工程师最近开始将该技术用于各种识别任务。图像识别、语音识别和自然语言处理是CNN 比较常见的几大应用。 什么是卷积神经网络? 卷积层
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其中Y (m,x,y) 是输出特征图 m 位置(x,y)处的卷积输出,S是 (x,y) 周围的局部邻域,W 是卷积滤波器组,X(n,x,y)是从输入特征图 n 上的像素位置(x,y)获得的卷积运算的输入。 定义致密层 在FPGA上实现CNN 一切始于 c/c++
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图 1 – AlexNet 是一种图像识别基准,包含五个卷积层(蓝框)和三个致密层(黄)
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图 2 – AlexNet 中的卷积层执行 3D卷积、激活和子采样
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图 3 – 图表展示了 AlexNet 中涉及的计算复杂性和数据传输数量
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图 4 - 实现 CNN 时的函数调用顺序
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图 5 – 使用 AuvizDNN 创建AlexNet 的 L1 的代码片段
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图 6 – AlexNets 的性能因 FPGA类型不同而不同
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