神经网络加速器应用实例：图像分类

布满荆棘的人生 2021-10-18 12:40 414阅读 0赞

> 深度学习飞速发展过程中，人们发现原有的处理器无法满足神经网络这种特定的大量计算，大量的开始针对这一应用进行专用芯片的设计。谷歌的张量处理单元（Tensor Processing Unit，后文简称TPU）是完成较早，具有代表性的一类设计，基于脉动阵列设计的矩阵计算加速单元，可以很好的加速神经网络的计算。本系列文章将利用公开的TPU V1相关资料，对其进行一定的简化、推测和修改，来实际编写一个简单版本的谷歌TPU，以更确切的了解TPU的优势和局限性。

## 动手写一个神经网络加速器系列目录 ##

[谷歌TPU概述和简化][TPU]

[TPU中的脉动阵列及其实现][TPU 1]

[神经网络中的归一化和池化的硬件实现][Link 1]

[TPU中的指令并行和数据并行][TPU 2]

[Simple TPU的设计和性能评估][Simple TPU]

[SimpleTPU实例：图像分类][SimpleTPU]

拓展

TPU的边界（规划中）

重新审视深度神经网络中的并行（规划中）

# 1. 不仅仅是硬件的AI Inference #

在[Simple TPU的设计和性能评估][Simple TPU]中，一个神经网络加速器的硬件雏形已经搭建完成了；在[https://github.com/cea-wind/SimpleTPU上][https_github.com_cea-wind_SimpleTPU]给出了相应的代码，和RTL仿真结果。在[TPU中的脉动阵列及其实现][TPU 1]和[神经网络中的归一化和池化的硬件实现][Link 1]中，针对硬件实现中的关键模块也进行了仿真分析。但是，最终并没有给出一个可以实际运行的例子。这意味着，即使将这一部分代码应用到FPGA上，或者是实现在ASIC上后，也只有纸面性能却并不可用。

和很多其他的硬件设计不同，以Xilinx的AI Inference 解决方案为例（即之前的深鉴科技），用于AI Inference的设计需要考虑神经网络计算中的多样性，神经网络加速器是一个软件+硬件的解决方案。Xilinx叙述如下图（原始链接：[https://www.xilinx.com/products/design-tools/ai-inference.html][https_www.xilinx.com_products_design-tools_ai-inference.html]）。

[![image][]][image 1]

从上往下看，这一套解决方案包括

*      主流的神经网络的框架的支持，包括caffe、Tensorflow和mxnet
 *      提供模型压缩和优化的工具，以期在硬件上又更好的效能
 *      提供模型量化的功能，使得浮点模型转化为定点模型
 *      提供了Compiler，将模型映射为二进制指令序列
 *      和Compiler相结合的Hardware

这意味着想真正使用之前设计的神经网络加速器——SimpleTPU，还需要软件的配合。即便模型压缩不在考虑范围内，也需要将模型量化为int8精度（SimpleTPU只支持int8乘法），同时利用Compiler生成指令序列。受限于个人能力，由于配套软件的缺失，下面的例子中的量化和指令均由手工生成。也正是由于这一原因，网络结构会尽可能简单，仅以保证本系列文章完整性为目的。

# 2. MLP分类实例 #

利用MLP对MNIST数据集进行手写数字分类的网络结构定义如下

class MLP(nn.Module):
        def __init__(self):
            super(MLP, self).__init__()
            self.hidden = nn.Linear(784,64)
            self.fc = nn.Linear(64,10)
    
        def forward(self, x):
            x = x.view(-1,784)
            x = self.hidden(x)
            x = self.fc(x)
            return F.log_softmax(x, dim=1)

生成指令后将其作为SimpleTPU的输入，并对其进行RTL仿真（testbench已经写好，直接运行即可），仿真结果如下图所示

![result][]

前16张图的分类结果如下图所示

![result][result 1]

根据计算结果，可以分析得到其效率为84%。（去除了13K个用于读取图片和写回结果的时间，实际应用中，这一事件也会被计算时间覆盖）

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:left;">LOC</td> 
   <td style="text-align:left;">Layers</td> 
   <td style="text-align:left;">Nonlinear function</td> 
   <td style="text-align:left;">Weights</td> 
   <td style="text-align:left;">Batch Size</td> 
   <td style="text-align:left;">% of Deployed</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="text-align:left;">2</td> 
   <td style="text-align:left;">2 FC</td> 
   <td style="text-align:left;">Relu</td> 
   <td style="text-align:left;">5M</td> 
   <td style="text-align:left;">512</td> 
   <td style="text-align:left;">16%</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

作为参考，谷歌TPU中的数值为（**尽管Simple TPU效率较高，但由于规模不同，无法直接对比效率；由于SimpleTPU完全按TPU设计，实际性能不可能高于TPU**）

[![image][image 2]][image_image 2]

# 3. MLP运行分析 #

通过仿真波形，可以更直观的看出SimpleTPU的运行状态。下图中，读取Weight、乘加运算单元和Pooling共同工作可以反应[TPU中的指令并行和数据并行][TPU 2]中提到的指令并行。(由上倒下的ap\_start分别是MXU，POOL，LOAD WEIGHT和INSTR FETCH的工作指示信号，同时拉高代表同时工作)

![663760-20190726211826531-1950154805.png][]

观察MXU内部的信号，可以看到计算过程中的数据并行（一条指令控制多组数据，且一个周期完成多组计算）。MXU每个周期都输出psum取值，一共有32个psum，计算一个psum需要32次乘加计算。

![663760-20190726212143027-1657103612.png][]

SimpleTPU为什么不够快（效率并没有接近100%）？这一问题可有下面的仿真波形看出（每次MXU启动前后都有若干个周期没有输出有效结果）

![663760-20190726212322766-126990815.png][]

由于每次MXU执行一条向量计算指令会又若干个空闲的周期（超过64个周期，损失了10%以上的性能），导致了SimpleTPU在这一个网络上性能只有84%。MXU在启动之前需要32个周期来填满整个脉动阵列，而在输入结束后还需要32个周期来输出最后的结果。当采用HLS编写代码是，难以以这一控制力度来优化MXU的性能。如果采用Verilog HDL或者VHDL，可以采用指令之间的流水设计来消除这一延时。

# 4. CNN #

由于手工对神经网络进行量化和layer间融合以及生成指令的复杂性，基于CNN的图像分类/分割网络的运行实例被无限期暂停了。

但是一个卷积计算的实例已经在[TPU中的脉动阵列及其实现][TPU 1]中给出，证明了SimpleTPU计算卷积的能力。

根据[Simple TPU的设计和性能评估][Simple TPU]给出的特性，SimpleTPU可以高效支持绝大多数Operator，完成计算机视觉中的多种任务。当然，最大的缺陷在于SimpleTPU不显式支持ResNet，无法直接计算residual connection中的加法；只能进行channel concatenate之后再利用一次乘加计算完成。

转载于:https://www.cnblogs.com/sea-wind/p/11247937.html

[TPU]: https://www.cnblogs.com/sea-wind/p/10993958.html
[TPU 1]: https://www.cnblogs.com/sea-wind/p/10995360.html
[Link 1]: https://www.cnblogs.com/sea-wind/p/11066301.html
[TPU 2]: https://www.cnblogs.com/sea-wind/p/11124037.html
[Simple TPU]: https://www.cnblogs.com/sea-wind/p/11241018.html
[SimpleTPU]: https://www.cnblogs.com/sea-wind/p/11247937.html
[https_github.com_cea-wind_SimpleTPU]: https://github.com/cea-wind/SimpleTPU
[https_www.xilinx.com_products_design-tools_ai-inference.html]: https://www.xilinx.com/products/design-tools/ai-inference.html
[image]: /images/20211018/fc4e936e3b1747ad8acdf273e9cfe95c.png
[image 1]: https://img2018.cnblogs.com/blog/663760/201907/663760-20190726211131078-739853975.png
[result]: /images/20211018/d6bc4c8a23d8476ca518be2ee48d4ce8.png
[result 1]: https://github.com/cea-wind/SimpleTPU/raw/master/pictures/cla_result.png
[image 2]: https://img2018.cnblogs.com/blog/663760/201907/663760-20190726211157713-108046133.png
[image_image 2]: /images/20211018/304a09cc35d94503af27a8119eb937c0.png
[663760-20190726211826531-1950154805.png]: /images/20211018/329b09a18f434d9496e2ef493214d108.png
[663760-20190726212143027-1657103612.png]: /images/20211018/a48afc1af8fe4cbfaa1abe498462dbe0.png
[663760-20190726212322766-126990815.png]: /images/20211018/42839ef3c07f4051a6e9a63c972b0ad0.png