Achronix創(chuàng)新的機器學習處理器（MLP）突破傳統(tǒng)FPGA時序性能瓶頸

作者：楊宇，Achronix資深現(xiàn)場應用工程師

介紹：本文將重點描述基于AlexNet的2D卷積核的實例應用。

正文：

MLP_Conv2D是功能齊全的設計，可將2D輸入圖像與多個內(nèi)核同時進行卷積。 該設計充分利用了MLP和BRAM模塊，每個MLP一個周期執(zhí)行12個int8乘法。此外，MLP列和BRAM塊均等級聯(lián)以有效地將圖像數(shù)據(jù)傳遞，從而允許同時處理多個內(nèi)核。

該設計使用NoC接入點（NAP）從片上網(wǎng)絡（NoC）讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。NoC連接到Speedster7t器件中的GDDR6控制器再到外部存儲器。

AlexNet

盡管最初為AlexNet圖像和內(nèi)核大小配置了MLP_Conv2D設計，但是2D卷積是一個通用過程，因此可以重新配置該設計并使其適應許多不同的2D方法。

2D卷積的一般原理是在圖像（實際上是另一個2D矩陣）上傳遞內(nèi)核（2D矩陣）。對于每次計算，內(nèi)核均以輸入圖像的像素為中心，并對每個內(nèi)核值（稱為權(quán)重）與其當前對齊的像素執(zhí)行乘法運算。這些乘法的總和給出了原始圖像像素的特定卷積結(jié)果。然后將內(nèi)核移至下一個像素，并重復該過程。

經(jīng)過訓練的內(nèi)核，2D卷積生成一個輸出結(jié)果圖像，突出顯示輸入圖像的特定特征，例如垂直線，水平線，變化角度的對角線和變化半徑的曲線。然后可以將這些特征輸入到其他處理層（包括其他2D卷積），然后可以將其標識為（通常在軟件中）為特定對象。

因此，二維卷積處理不應被視為圖像識別的完整解決方案，而應被視為處理操作鏈中的單個關(guān)鍵組件。

乘法密度

2D卷積的挑戰(zhàn)是所需的乘法數(shù)量，這就是MLP中專用的乘法器陣列。對于AlexNet配置，每個內(nèi)核為11×11= 121個權(quán)重值。但是，卷積實際上是3D的，因為輸入圖像具有三層（RGB），因此一組內(nèi)核有121×3 = 363個乘法來產(chǎn)生單個輸出結(jié)果。AlexNet輸入圖像為227×227;但是，此圖像的stride為4（在計算之間內(nèi)核移動了四個像素）。此過程導致輸出結(jié)果矩陣為54×54 = 2916個結(jié)果。因此，對于一幅圖像需要363×2916 = 1，058，508次乘法；即處理一個圖像需要進行一百萬次以上的累加運算。其中單個Kernel進行2D卷積的動態(tài)示意圖如下：

圖表 1 單個Kernel進行2D卷積的動態(tài)示意圖

對于MLP_Conv2D，其設計旨在一次處理一幅圖像中的60個內(nèi)核，單次執(zhí)行超過6000萬次乘法累加操作。

性能

MLP_Conv2D設計可以以750 MHz的頻率運行。單個MLP能夠在137 μs內(nèi)對具有11×11內(nèi)核的單個227×227 RGB輸入圖像進行卷積，相當于每秒15.4GOPS（包含乘和加）。 但一個MLP_Conv2D實例由60個并行運行的MLP構(gòu)成，可以同時對60個輸入圖像進行卷積，相當于924GOPS。 最后，將多達40個MLP_Conv2D實例化到單個器件中，每個實例都通過自己的NAP將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾DDR6存儲器，從而實現(xiàn)了組合高達37 TOPS的性能-相當于每秒處理28，8000張圖像（本設計主要針對卷積核）。

資源

MLP_Conv2D圍繞MLP和BRAM塊功能而設計，并使用它們各自的內(nèi)部級聯(lián)走線。 同樣，NAP允許直接從外部存儲器路由數(shù)據(jù)互聯(lián)。這些功能可實現(xiàn)最小的附加邏輯或路由要求，利用率表如下：

圖表 2 單個MLP_Conv2D實例資源使用

圖表 3 并行40個MLP_Conv2D實例資源使用

圖表 4 MLP_Conv2D框圖

數(shù)據(jù)流：單個MLP

每個MLP都有一個鄰近的BRAM。 在此設計中BRAM用于存儲內(nèi)核并將其多次傳遞到MLP。 初始化時，將從輸入NAP中讀取不同的內(nèi)核，并將其寫入相應的BRAM。 BRAM在寫側(cè)配置為72位，而讀取設置為144位。在操作期間，僅將96位用作內(nèi)核權(quán)重，即讀取為4個權(quán)重×3層×8位。初始圖像數(shù)據(jù)從NAP讀取到輸入FIFO中，該輸入FIFO用于將圖像存儲為一系列行。盡管此輸入存儲器被列為FIFO，但仍可作為可重復讀取的FIFO，因為可以多次從中讀取行。該存儲器配置為144位寬，僅使用96位，由兩個BRAM72K組成。每個字由4個像素×3層×8位組成。初始化時，將讀取足夠的行以匹配內(nèi)核中的行數(shù)加上垂直跨步所需的行數(shù)。即

一旦加載了初始數(shù)據(jù)和內(nèi)核，便開始計算。

從輸入FIFO中讀取第一條圖像行，并讀取與內(nèi)核水平大小匹配的圖像數(shù)據(jù)像素數(shù)量。在讀取這些像素時，將讀取匹配的內(nèi)核權(quán)重。MLP將這些96位流的每一個乘以12個int8值并累加結(jié)果。輸入FIFO前進到第二行，重復此過程，直到內(nèi)核的所有行都與輸入圖像左上角的適當像素相乘。在此過程中，MLP積累了結(jié)果；現(xiàn)在，該結(jié)果是圖像與內(nèi)核卷積的左上角的2D卷積。該結(jié)果以16位結(jié)果的形式從MLP輸出。重復此過程，輸入FIFO跨行超前STRIDE參數(shù)設置的像素數(shù)（對于當前設計，STRIDE固定為4）。在每個處理周期包括在內(nèi)時，都會生成另一個結(jié)果，直到水平地獲取了適當數(shù)量的結(jié)果為止。

然后，將輸入FIFO下移STRIDE行數(shù)，然后重復該過程以生成輸入圖像中下一組線的卷積結(jié)果。當輸入FIFO向下移動時，不再需要FIFO中的初始行，因此與MLP計算并行時，將加載下一組用于輸入圖像的STRIDE行?？紤]外部存儲源的帶寬要求時，可以看到映像和內(nèi)核僅從內(nèi)存中讀取一次。然后，它們可以從各自的BRAM中重新使用，從而減少了外部存儲器帶寬的總體負擔，其過程參考圖表1。

數(shù)據(jù)流：多個MLP

MLP的一個顯著特點是能夠?qū)?shù)據(jù)和結(jié)果從一個MLP或BRAM級聯(lián)到同一列中。 MLP_Conv2D通過將MLP及其關(guān)聯(lián)的BRAM放在列組中來利用這些級聯(lián)路徑。在將BRAM加載到內(nèi)核時，級聯(lián)路徑用于將數(shù)據(jù)流水線傳輸?shù)矫總€BRAM，并且使用BRAM塊地址模式選擇要寫入內(nèi)核的BRAM。

在計算過程中，輸入的圖像數(shù)據(jù)將在MLP的列中級聯(lián)，以便每個MLP在其下一個鄰居之后的一個周期接收到圖像數(shù)據(jù)。同時，控制內(nèi)核讀取的BRAM讀取地址以一個周期的延遲級聯(lián)到BRAM列中。這樣，每個MLP在其先前的MLP之后一個周期接收相同的圖像數(shù)據(jù)和相同的內(nèi)核讀取地址。每個MLP的計算差異在于，其關(guān)聯(lián)的BRAM將具有不同的內(nèi)核數(shù)據(jù)。結(jié)果是一個圖像并行地與多個內(nèi)核卷積。并行卷積的數(shù)量稱為BATCH。

數(shù)據(jù)流：計算結(jié)果

如前所述，每個MLP為內(nèi)核和圖像部分的每個卷積生成16位結(jié)果。

MLP排列在16列中，因此從該列中生成一個256位字，該字由該列中每個MLP的結(jié)果組成。然后將此256位字寫入輸出NAP。 這種安排導致卷積結(jié)果作為同一圖像的圖層存儲在內(nèi)存中；因此，當三層或RGB存儲在單個輸入字中時，匹配輸入字排列。

然后，由于可以在完整的256位結(jié)果上的16個并行實例中執(zhí)行激活功能，因此該安排允許將涉及的結(jié)果并行處理到激活層中。同樣，一旦256位結(jié)果通過輸出NAP寫回到存儲器中，則可以將結(jié)果讀回到另一個2D卷積電路中。

圖表 5 MLP_Conv2D布局示意圖

布局

在Speedster7t架構(gòu)中，每個NAP對應32個MLP。該設計經(jīng)過優(yōu)化，可使用兩個NAP，一個用于讀取，一個用于寫入，因此可以對應64個MLP。

但是，輸入和輸出FIFO需要兩個BRAM 72K存儲塊才能創(chuàng)建一個256位寬的組合存儲器。因此，這些存儲器將消耗64個可用位置中的四個用于數(shù)據(jù)I / O。

設計被安排為使用與兩個NAP相關(guān)聯(lián)的四列MLP。但是，第一列和最后一列都使用14個MLP，剩下兩個MLP位置分別用于輸入和輸出FIFO。中間兩列使用所有16個可用的MLP。在平面圖中，各列的排列方式是使第一列（底部具有輸入FIFO存儲器）與NAP相鄰，以改善時序。

下面顯示了一個實例，即使用了60個MLP（Batch=60）的設計實際布局圖（突出顯示了路線）：

圖表 6 60個MLP布局圖

在全芯片構(gòu)建中使用40個實例時，盡力使每個實例都使用NAP與內(nèi)存進行通信。結(jié)果，F(xiàn)Max仍能達到750MHz，并使用掉芯片中的所有80個NAP以及94％的MLP和BRAM72K。

圖表 7 2400個MLP布局圖

下一期將舉例介紹MLP的浮點架構(gòu)和性能，敬請期待。