低計算成本技術(shù)

首先，我們將討論如何降低計算成本本身。

量化

量化是權(quán)重或激活（每層的輸入和輸出）中比特的減少，通常在 fp32 中構(gòu)建。眾所周知，深度學(xué)習(xí)在推理過程中能夠以比訓(xùn)練過程更低的位精度進行處理，盡管這取決于模型，但即使是 8 位定點數(shù)和位數(shù)更少的定點數(shù)也具有實用的精度。FPGA 與 1 位左右的低精度網(wǎng)絡(luò)特別兼容，因為可以使用 LUT 將卷積運算替換為查找表。

修剪

修剪是在卷積層等使用的權(quán)重矩陣中，稀疏化（移至 0）足夠接近 0 的值的過程。足夠接近 0 的系數(shù)對卷積運算的最終結(jié)果影響很小，因此將其設(shè)置為 0 不會顯著影響推理結(jié)果。在實踐中，我們會設(shè)置剪枝的閾值等參數(shù)，給出測試模式，檢查允許的誤差范圍。

修剪主要應(yīng)用于兩個粒度。

1、粗粒：每通道

2、細(xì)粒度：單位因子

1 的粗粒度修剪只是簡單地刪除了通道，因此可以在不特別注意計算硬件的情況下提高速度。另一方面，2的細(xì)粒度修剪只會增加矩陣內(nèi)部0元素的數(shù)量，同時保持矩陣的大小不變。

在這里我們將限制在這個級別，但是還有其他方法可以減少計算量，例如拓?fù)湔{(diào)整可以減少模型本身的計算量。

FPGA 上優(yōu)化的 DNN 框架

在 GPU 上做深度學(xué)習(xí)時，無論前端選擇哪種框架，后端幾乎都是跑NVIDIA 優(yōu)化過的cuDNN 庫（https://developer.nvidia.com/cudnn）。cuDNN 庫經(jīng)過優(yōu)化，幾乎可以榨干 GPU 的峰值性能。出于這個原因，在不實現(xiàn)卷積等功能的情況下在后端使用這些庫是很常見的。

FPGA 也是如此，例如 Xilinx 提供了一個名為Vitis-AI的推理框架，而英特爾 FPGA 提供了OpenVINO 工具包。在本節(jié)中，根據(jù)DPU Vitis-AI 中用于邊緣設(shè)備

DPU

DPU是Deep Learning Processing Unit的縮寫，顧名思義就是深度學(xué)習(xí)的處理器。與我們目前創(chuàng)建的架構(gòu)不同，其中電路來處理每一層，DPU 實現(xiàn)了一個巨大的算術(shù)單元塊，并通過在算術(shù)單元塊上連續(xù)執(zhí)行每一層的處理來執(zhí)行推理過程。

DPU的硬件架構(gòu)如下圖所示。如圖所示，DPU 具有類似于普通處理器的架構(gòu)，例如指令調(diào)度器。

DPU只支持8bit的量化網(wǎng)絡(luò)，其量化工具在Vitis-AI（原DNNDK）中提供。

下面我們挑選 DPU 架構(gòu)中的一些有趣的點簡單說一下。

數(shù)據(jù)并行度提取

在上一篇文章中，我們提取了像素之間和輸出通道之間的 2 軸數(shù)據(jù)并行性以進行加速。DPU 還提取輸入通道之間的數(shù)據(jù)并行性。

DPU 有幾種配置，可以根據(jù)要實現(xiàn)的芯片大小進行更改，如下表所示。

性能最高的B4096架構(gòu)共有2048個算子，像素并行度8，輸入通道方向16個，輸出通道方向16個。雖然有 2048 個運算單元，但總共是 4096 次運算/時鐘，因為每個運算單元同時執(zhí)行乘法和加法。

上次創(chuàng)建的架構(gòu)中，運算次數(shù)最多的卷積層只有4*8=32個運算單元，兩個卷積層加起來就有32+16=48個單元，性能簡直快了近40倍，區(qū)別蠻大的。

用于 DSP 的 DDR（雙倍數(shù)據(jù)速率）

在 DPU 中，通過僅以雙倍工作頻率運行 DSP 來提高性能，如下圖所示。每個周期可能的操作數(shù)翻了一番，從而使 DSP 的使用量減半。

DPU方面主要針對Zynq Ultrascale+，工作頻率為300~400 MHz。

所以DSP運行在600-800 MHz范圍內(nèi)，速度非常快。

特別是，這種時鐘分頻的優(yōu)化在像這次這樣用 HLS 開發(fā)時很難重現(xiàn)，需要在 RTL 中進行調(diào)整。

另外，在像 DPU 這樣的架構(gòu)中，每個周期持續(xù)向計算單元提供數(shù)據(jù)是一個問題，但我的印象是這也得到了很好的優(yōu)化。這是作者的經(jīng)驗，但是在對1K圖像進行3×3卷積時，運算單元能夠在90%以上的周期內(nèi)運行（當(dāng)通道數(shù)是并行數(shù)的倍數(shù)時）。

由于很難創(chuàng)建優(yōu)化到這種程度的HLS，因此在 FPGA 上實際執(zhí)行深度學(xué)習(xí)時，在某些框架上執(zhí)行推理會更有效。但是，我認(rèn)為有些模式在現(xiàn)有框架上無法很好地處理，例如使用更優(yōu)化的架構(gòu)來切換每一層的量化位數(shù)。在這種情況下，可能需要構(gòu)建自己的硬件來處理數(shù)據(jù)。

總結(jié)

在本系列教程中，我們專注于在 FPGA 上實際編寫代碼和執(zhí)行處理。說到FPGA開發(fā)，大家可能會有這樣的印象，寫RTL很難，還得懂硬件。然而，就像我一開始創(chuàng)建的推理電路一樣，如果我不關(guān)心性能，我可以將高級綜合應(yīng)用于普通的 C 代碼并且它可以工作。

此外，在隨后的加速中，我們主要通過簡單地添加 #pragma. 就能實現(xiàn) 400 倍的顯著速度提升。我認(rèn)為在創(chuàng)建DPU等優(yōu)化庫時仍然需要用RTL編寫，但如果目的是在短時間內(nèi)創(chuàng)建適度優(yōu)化的庫（像這次的HLS）如果使用它，則可以輕松開發(fā)一些應(yīng)用。

審核編輯：劉清