如果說上期SkrSkr隊伍的設計像是德智體美勞全面發(fā)展的“五好學生”，那么冠軍隊伍的設計則更像是“不偏科的特長生”。

作品跳出前兩屆Top3隊伍的設計思路，充分結(jié)合FPGA數(shù)據(jù)流架構(gòu)的優(yōu)勢，逐步優(yōu)化設計，最終在幀率上達到212fps，首次參賽一舉奪魁。

作品全HLS設計，采用PYNQ框架，其提高幀率的優(yōu)化流程在其他HLS設計中亦值得借鑒。

01

DAC-SDC賽事回顧

從2018年設立DAC-SDC開始，每年都會吸引全球百支知名研究團隊參與角逐，與計算機視覺類的國際知名目標檢測比賽不同，DAC-SDC對高精度、高效率的追求不僅僅停留在算法層面，其更注重考察基于軟硬件協(xié)同的系統(tǒng)構(gòu)建能力，即參賽設計不僅要提高復雜場景中小物體精準檢測的能力，還需要考慮整個硬件系統(tǒng)在圖像處理速度和功耗方面的要求。而且隨著技術(shù)迭代速度的加快，該賽項的平臺和要求也在不斷改進。2018、2019年該賽項由Nvidia、Xilinx 和 DJI 大疆創(chuàng)新贊助，賽項分為GPU和FPGA兩個方向。2020年只保留了FPGA方向。從選用平臺的角度來對比，2018年以Zynq7020作為目標平臺；2019年選用邏輯資源較多的ZU3作為目標平臺，邏輯資源的增加提升了大賽的可發(fā)揮空間。2020年仍延用19年的目標平臺Ultra96。關(guān)于賽事詳情請參考 快訊|中國團隊包攬頂會DAC-SDC競賽冠亞軍

2018年比賽情況

TX2 GPU和Zynq7020 的對比結(jié)果顯示，在同等精度條件下FPGA的處理速度較低，但FPGA平臺所需的功耗僅為GPU平臺的不到1/4。在2018年的設計中，Top3均采用了“自頂向下”的DNN設計思路（沿用目標檢測常規(guī)算法），而后再考慮算法在硬件層面的優(yōu)化。其中FPGA組的冠軍來自清華大學汪玉教授團隊，其采用了深鑒科技的硬件加速器架構(gòu) DPU、全棧式工具鏈 DNNDK 和深度壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上，從算法、軟件和硬件對整個目標檢測系統(tǒng)進行了全棧式的協(xié)同優(yōu)化。通過采用硬件友好的 SSD 網(wǎng)絡和多線程優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合深度壓縮和定點訓練，在保證識別精度的前提下，滿足了低功耗和實時性的要求。

2019年比賽情況

FPGA組升級到邏輯資源較多的ZU3（Ultra96）平臺。與2018年相比，在精度和速度方面的表現(xiàn)均有一定的提升。特別值得一提的是，2019年 GPU和FPGA的冠軍來自同一團隊，其由UIUC Deming Chen教授課題組聯(lián)合了 IBM、Inspirit IoT和新加坡 ADSC 的研究人員組成。該網(wǎng)絡架構(gòu)采用“自底向上”的DNN設計思路，以硬件資源限制為約束進行網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)搜索得到架構(gòu)的優(yōu)化設計，而后將其部署在目標平臺上。因此，冠軍團隊的工作實質(zhì)上是同一網(wǎng)絡架構(gòu)（SkyNet）在不同平臺的優(yōu)化設計實現(xiàn)。

縱觀前兩年的工作，2018年解決的問題主要集中在限定資源條件下如何部署DNN模型；2019年冠軍組的工作則體現(xiàn)了限定資源條件下如何搜索最優(yōu)模型架構(gòu)。上述工作更多考慮的是算法的本身和資源的約束，而沒有充分發(fā)揮FPGA平臺自身優(yōu)勢。

02

我們的工作

基本設計思路

我們團隊主要從FPGA的架構(gòu)特點入手對任務處理進行優(yōu)化設計。FPGA的優(yōu)勢在于其靈活、高效地并行化設計架構(gòu)，適于處理流式、計算密集型任務，適于不同字節(jié)寬度的調(diào)節(jié)等。針對本賽項待處理的目標檢測任務特點，我們選用了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法，其中包含多層結(jié)構(gòu)，需要依次計算各層，且計算密集。結(jié)合待處理任務的特點，為了充分發(fā)揮FPGA的優(yōu)勢，我們提出了以下設計思路：

l 算法設計優(yōu)化：壓縮神經(jīng)網(wǎng)絡的參數(shù)量，且采用低bit量化技術(shù)，使得參數(shù)量較少且每個參數(shù)所需要的儲存空間減少，從而使所有的參數(shù)能夠置于FPGA片內(nèi)BRAM中，減少加速過程中參數(shù)頻繁調(diào)入/出帶來的開銷。

l 硬件設計優(yōu)化：基于FPGA資源構(gòu)建高效流水結(jié)構(gòu)，將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡中的所有層都置于片上，使得所有層能夠以流水線的形式并行進行計算；設計高效的低bit的矩陣計算單元，在有限資源的約束下最大化并行度。

基于上述設計構(gòu)想，數(shù)據(jù)輸入加速器能直接輸出計算結(jié)果，中間結(jié)果不必搬運到外部RAM，減少了不必要的時延和能耗。低bit計算減少了單個計算單元的資源開銷，從而提高了整體并行度，進而提高了整個神經(jīng)網(wǎng)絡計算的速率。

設計方案

1、目標檢測算法的設計

基于上述基本設計思想，我們自行構(gòu)建了適于Ultra96平臺資源限定條件的網(wǎng)絡模型。其中主干網(wǎng)絡選用類VGG架構(gòu)，為了降低所需的參數(shù)量和計算量，我們嚴格控制了各層濾波器的數(shù)量，后端采用類yolo 架構(gòu)設計，整個網(wǎng)絡模型如下圖2所示。與2019年的第一名相比，我們的算法雖然精度略低，但計算量和參數(shù)量都有大幅度地降低。

2、網(wǎng)絡量化設計

量化技術(shù)是整個解決方案中重要的一個環(huán)節(jié)。我們量化了整個神經(jīng)網(wǎng)絡，包括權(quán)值量化，激活量化等。量化方法如下：

我們對所有的權(quán)值（W）和激活后的數(shù)據(jù)進行了歸一化處理，使得所有的數(shù)據(jù)在尺度上是統(tǒng)一的。而后將權(quán)值和特征圖數(shù)據(jù)都量化到了4bit，雖然算法精度上有所降低，平均IoU從0.701降低了到0.649，但所需參數(shù)的儲存空間降為原來的八分之一。我們只需要花費0.105 MB片上空間就能將所有參數(shù)置于片上，而Ultra 96 v2板上FPGA芯片中共有0.95 MB BRAM空間。

3、 自定義數(shù)據(jù)流的AI加速器設計

根據(jù)待處理任務特點，我們基于目標平臺（Ultra96）資源特點，設計和實現(xiàn)一套“硬件函數(shù)庫”，將pytorch中的CNN算法映射到FPGA中（如下圖5）。其中，我們將pytorch中的卷積計算（Conv2d_Q）拆分成兩個部分——滑動窗口單元（SWU）和矩陣向量乘單元（MVU），SWU負責將卷積計算展開為矩陣向量計算，MVU則負責接收SWU輸出的數(shù)據(jù)流并計算。為減少片上存儲空間（緩存）使用量，我們將原CNN算法中的批正則化層（BatchNorm2d）與激活量化層（ReLu_Q）合為一個模塊Bn_Relu進行處理。為了便于構(gòu)建流水處理架構(gòu)，原pytorch中采用的四個層（卷積層、批正則化層、激活量化層和池化層）就變?yōu)槲覀兌x的新四層（SWU層、MVU層、Bn_Relu層和MaxPool層），且每層中的Bn_Relu和MaxPool是可選的（圖中用虛線框標出），每層都有獨立緩存空間存儲對應層參數(shù)。同時，為了提高效率，每層內(nèi)部也最大程度展開為流水形式。

我們將所有層都置于片上，當上一層有計算輸出時，下一層立即開始計算，各層同時運行。通過計算量分配各層所需要的邏輯資源，使得每層的時延趨向一致，使加速器運行效率最大化。

系統(tǒng)框架及優(yōu)化設計

基于上述設計思想，最終實現(xiàn)的系統(tǒng)框圖如下。其中，我們采用DMA搬運數(shù)據(jù)，CPU負責任務調(diào)度工作。為了實現(xiàn)加速器IP與CPU之間的并行，我們在外部RAM中開辟了兩塊緩沖區(qū)輪流為加速器提供圖片數(shù)據(jù)。

由于計時規(guī)則在五月份做出了調(diào)整，將讀入圖片的時間和功耗也計入在內(nèi)，而我們在五月版提交代碼的速度瓶頸主要卡在讀圖（Load image）時延。針對這個問題，我們對于系統(tǒng)待處理的任務重新進行了更為細致的優(yōu)化部署。由于待處理任務分為四個部分：Load image、Resize image（簡寫為Resize）、Compute CNN（簡寫為CNN）、Calculate bounding box（簡寫為Calc bbox）。我們分別在PS端進行多核并行優(yōu)化處理，在PS-PL端進行了負載均衡處理，從而優(yōu)化了任務在PS和PL端的部署，該過程對最終成績中FPS提升貢獻很大。

我們的成績

基于上述設計，最終的實現(xiàn)的加速方案性能如下：

。

跟前兩年的結(jié)果相比，雖然我們的精度（IoU）略有損失，但在速度方面我們有了大幅度地提升。

03

總結(jié)

上述是我們在2020DAC-SDC中所做的一些努力。這是我們團隊第一次參加DAC-SDC國際大賽，從關(guān)注該賽項到今天，我們一邊摸索一邊前進，很感謝組委會提供了這樣的平臺給我們實踐鍛煉和摸索提升的機會。身處計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的黃金時代是我們這代人的幸運，相信未來系統(tǒng)設計必然將向著更精準、更高效、更低耗的方向邁進，我們也希望能夠通過努力與各位同仁共同見證這個時代的輝煌。同時，我們的設計也已經(jīng)開源在：https://github.com/heheda365/ultra_net

04

團隊介紹

2020DAC-SDC Top-3的BJUT_Runner團隊來自北京工業(yè)大學信息學部張文博老師和包振山老師帶領(lǐng)的異構(gòu)計算研究小組。參加本次比賽的團隊成員包括：詹康（圖中右下）、郭俊南和宋秉彥（圖中左下）。受2020年新型冠狀病毒疫情（COVID-19）影響，在整個參賽環(huán)節(jié)，團隊成員一直采用在線研討方式進行溝通（下圖為本組指導教師和所有成員在線合影）。

原文標題：打破常規(guī)，深度結(jié)合FPGA架構(gòu)優(yōu)勢|2020DAC- SDC冠軍作品開源與技術(shù)分享

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責任編輯：haq