基于ZYNQ的可重构卷积神经网络加速器.pdf

卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，简称CNN）是一种深度学习模型，广泛应用于图像识别、语音处理和自然语言处理等领域。在当前大数据时代，随着网络结构的不断加深，CNN的计算需求也在急剧增长，这使得传统的CPU和GPU在处理大规模CNN任务时面临计算延迟和功耗限制的问题。 本文提出了一个基于ZYNQ的可重构卷积神经网络加速器，旨在提高计算速率和降低功耗。ZYNQ是Xilinx公司的一种基于ARM Cortex-A9双核处理器的系统级芯片（System on Chip, SoC），它集成了FPGA（Field-Programmable Gate Array）和处理器，能够实现软硬件协同设计，提供高度灵活的硬件加速方案。 为了充分利用硬件资源，文章中探讨了一种卷积运算循环优化电路。卷积运算在CNN中占据主导地位，其计算效率直接影响整个网络的性能。循环优化电路通过改进计算流程，减少不必要的计算和数据传输，从而提高运算速度。同时，为降低内存带宽访问量，设计了特殊的数据内存排列方式。这种方式可以减少数据在内存和计算单元之间的传输次数，进一步提升效率。 文章以VGG16网络为例进行测试，VGG16是一种深度较深的CNN模型，包含多个卷积层和池化层，常用于图像分类任务。经过ZYNQ加速后，系统达到62.00 GOPS（十亿次每秒浮点运算）的有效算力，这是GPU的2.58倍和CPU的6.88倍，表明了该加速器在计算性能上的显著提升。此外，MAC（Multiply-And-Accumulate，乘累加）利用率高达90.20%，接近Roofline模型的理论峰值，Roofline模型是一种用来分析计算系统的性能上限和内存瓶颈的工具。 加速器的计算功耗仅为2.0W，能效比达到31.00 GOPS/W，分别是GPU的112.77倍和CPU的334.01倍，这意味着在执行相同计算任务时，该加速器在能源效率上具有巨大优势。 基于ZYNQ的可重构卷积神经网络加速器通过硬件加速和优化设计，有效解决了CPU和GPU在处理CNN时面临的计算延迟和高功耗问题，为深度学习应用提供了更高效、低能耗的解决方案。这种技术对于推动边缘计算、物联网和嵌入式系统的智能化发展具有重要意义。