為什么用FPGA來加速YOLOV2

1.GPU加速：GPU是一種多核處理器，GPU起初是用來進(jìn)行圖形處理任務(wù)的，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，GPU的發(fā)展是日趨復(fù)雜的，而且針對(duì)不同的領(lǐng)域也有不同。

當(dāng)GPU被用來進(jìn)行通用計(jì)算時(shí)，就產(chǎn)生了一些通用的計(jì)算框架，比如說Opencl和CUDA。比如說高端GPU TItan系列，其頻率可以達(dá)到1Ghz，擁有330GB的帶寬，提供每秒極高的算力，但是功耗也達(dá)到了驚人的250W。對(duì)于嵌入式的GPU，比如說TegraX1，擁有256個(gè)處理核，帶寬為25GB/s，同樣在1Ghz的頻率下，算力仍可以達(dá)到近Titan的十分之一，但是功耗只有10W。

2.ASIC加速：這些芯片分為兩類：第一類，用來做訓(xùn)練和推理，這些芯片可以用來做DNN的訓(xùn)練，也可以做DNN的推理。第二類，用來做推理，這些ASICs用來運(yùn)行在GPU或者其他硬件上已經(jīng)訓(xùn)練好的模型，然后對(duì)訓(xùn)練過的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改，使得網(wǎng)絡(luò)可以運(yùn)行在不同的ASIC上。

3.FPGA加速：FPGA是一種可以重復(fù)配置的電路。在延遲方面，F(xiàn)PGA要比GPU更好。FPGA可以提供很高的帶寬同時(shí)也可以降低延遲。

1.2 FPGA實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算，其中一種方法就是將這種運(yùn)算以電路的方式實(shí)現(xiàn)，而使用FPGA就是其中一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，使用者可以將FPGA配置為所需要的電路?；谥噶畹挠布峭ㄟ^軟件來實(shí)現(xiàn)的，而FPGA是通過專用硬件實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于一些需要低延遲的算法，比如說智能駕駛，F(xiàn)PGA的延遲要比GPU更低。當(dāng)時(shí)用FPGA時(shí)，可以將延遲控制在1微秒或者1微秒之外，但是對(duì)于CPU來說，延遲低于50微秒，性能就已經(jīng)很強(qiáng)了。除此之外，F(xiàn)PGA的定制化更強(qiáng)，延遲能夠人為的控制，F(xiàn)PGA不需要操作系統(tǒng)，內(nèi)部也不需要想CPU一樣通過總線進(jìn)行通行。

在FPGA中，可以連接任何的數(shù)據(jù)源，比如說網(wǎng)口或者傳感器，可以直接通過芯片的引腳就可以連接，這就和GPU與CPU形成了鮮明的對(duì)比（GPU和CPU與外界數(shù)據(jù)交互需要標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行連接）。

FPGA的直連技術(shù)可以為數(shù)據(jù)提供很高的帶寬，同時(shí)也降低了時(shí)延。

2、為什么用FPGA來加速YOLOV2

對(duì)于卷積核和池化的運(yùn)算來說，因?yàn)槭蔷仃囘\(yùn)算，這就需要相當(dāng)高的算力。而由于卷積和池化運(yùn)算都是流式運(yùn)算，所以將他們放在FPGA中實(shí)現(xiàn)從而進(jìn)行加速是一個(gè)很好的選擇。對(duì)于YOLOV2中的部分運(yùn)算，比如說計(jì)算坐標(biāo)圖像的預(yù)處理等，都是一些非流式運(yùn)算，或者是標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算，這些運(yùn)算適合放在ARM中進(jìn)行，于是將YOLOV2中的運(yùn)算做一下劃分，充分利用軟硬件協(xié)同的優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)整個(gè)算法進(jìn)行加速。

FPGA：卷積層和池化層

ARM：Softmax

3、FPGA簡(jiǎn)介

3.1 FPGA的基本結(jié)構(gòu)基本構(gòu)成：CLB（可配置邏輯塊），IOS（輸入輸出模塊），IR（互聯(lián)資源）

FPGA的功能是由SRAM中的數(shù)據(jù)類配置的，所以大部分FPGA芯片中都是采用查找表結(jié)構(gòu)的。FPGA中組合邏輯使用小型LUT實(shí)現(xiàn)的，這些LUT輸出端連接到D觸發(fā)器的輸入端，D在連接到其他邏輯電路或者是驅(qū)動(dòng)IO來對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

FPGA中的邏輯是通過加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，這些編程數(shù)據(jù)通過內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元來進(jìn)行加載。存儲(chǔ)單元的值可以配置邏輯單元各個(gè)模塊的連接通路，以及邏輯單元所實(shí)現(xiàn)的功能，也可以配置IO的功能以及電氣鼠性等，這些最終構(gòu)成了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能的FPGA系統(tǒng)。

3.2 FPGA的相對(duì)優(yōu)勢(shì)：

與DSP和MCU相比，F(xiàn)PGA的運(yùn)算速度較快，實(shí)現(xiàn)控制功能更加靈活，與傳統(tǒng)的CPLD相比，F(xiàn)PGA更適合做一些規(guī)模更大邏輯更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

（1）.FPGA有六部分構(gòu)成：可編程CLB，可編程IO，布線資源，嵌入式RAM，專用迎合以及內(nèi)嵌功能模塊。CLPD功能更加簡(jiǎn)單，構(gòu)成：可編程IO，基本邏輯單元，布線pool。2）.FPGA更容易實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯，CPLD更適合大規(guī)模組合邏輯。

（3）.FPGA連線資源非常豐富，且CLB的利用率很高。

（4）。同專用集成電路比，F(xiàn)PGA更加靈活，開發(fā)周期更短，可以降低成本，同時(shí)也可以保證保密性和可靠性。

4、PYNQ開發(fā)框架與HLS加速理論

4.1 PYNQ

傳統(tǒng)的FPGA的框架有兩種，一種是FPGA與CPU互聯(lián)的，另一種是FPGA與RAM互聯(lián)的。但是這兩種開發(fā)對(duì)于然間人員來說很不友好，而PYNQ就很好的解決了這個(gè)問題，。PYNQ可以在ZYNQ上面運(yùn)行，ZYNQ包含PL和PS部分，PS部分是ARM的處理器，上面可以運(yùn)行LINUX系統(tǒng)，操作系統(tǒng)上運(yùn)行ptyhon。PL部分是可編程邏輯資源，在開發(fā)過程中，首先在PL端設(shè)計(jì)IP核，將IP核配置成為AXI總線形式，然后在PS中對(duì)驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

PYQN是一種全新的開發(fā)框架，能夠用PYTHON對(duì)其進(jìn)行快速的FPGA部署，在部署過程中不用研究硬件的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

4.2 HLS

開發(fā)流程是基于C語言，能夠節(jié)約用戶大量的時(shí)間。其重要流程包括：C開發(fā)，C仿真，C綜合以及RTL綜合等。

4.2.1 用HLS加速IP

內(nèi)層并行現(xiàn)實(shí)化：在FPGA實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)算法中的一層，在計(jì)算時(shí)候?qū)@一層進(jìn)行復(fù)用，計(jì)算完一層以后將數(shù)據(jù)緩存到片外的DDR中，當(dāng)進(jìn)行下一層計(jì)算式，再將數(shù)據(jù)讀入運(yùn)算單元中，在這個(gè)過程中需要FPGA的ARM來對(duì)IP核進(jìn)行配置，包括輸入輸出通道的數(shù)量，卷積核的尺寸等。配置完成后，IP和就可以進(jìn)行相應(yīng)層的運(yùn)算。

實(shí)現(xiàn)卷積IP核的經(jīng)典架構(gòu)

這個(gè)系統(tǒng)包含了片外DDR，ARM處理器，控制器，運(yùn)算單元以及各種緩沖器。緩存器：輸入輸出，權(quán)重緩沖等。輸入的圖像首先要加載帶輸入的寄存器中，然后通過運(yùn)算單元執(zhí)行卷積操作，卷積操作是通過多個(gè)運(yùn)算單元來運(yùn)算的，以保證運(yùn)算的速度。在進(jìn)行卷積運(yùn)算時(shí)，第一季輸出緩存中的數(shù)據(jù)會(huì)被輸出到第二級(jí)輸出緩存，在當(dāng)前層運(yùn)算完之后，運(yùn)算結(jié)構(gòu)就會(huì)成為下一級(jí)的運(yùn)算輸出，用這樣的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)每一層的加速。

如上圖所展示的流程圖，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在單層內(nèi)部運(yùn)算的并行優(yōu)化，不必將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)全部展開，可以獎(jiǎng)勵(lì)網(wǎng)絡(luò)的資源占用率，進(jìn)而降低功耗，實(shí)現(xiàn)了新跟你乖面積以及功耗的平衡。如果想藥實(shí)現(xiàn)單層網(wǎng)絡(luò)的加速效果，就需要在層的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)流水。所以就需要一種數(shù)據(jù)拆分機(jī)制，將數(shù)據(jù)分為多個(gè)小塊，然后并行去處理這些數(shù)據(jù)。

將圖像分割為多個(gè)小塊，每個(gè)小塊的尺寸為Tr X Tc X Tn，而這一塊經(jīng)過計(jì)算之后得到的結(jié)果應(yīng)該是卷積計(jì)算的部分和，尺寸為Th X Tl X Tm，在這個(gè)運(yùn)算過程中，所欲要的權(quán)重尺寸是K X K X Tn X Tm。在處理完這一塊數(shù)據(jù)后，再處理這個(gè)特征圖的下一塊數(shù)據(jù)。這樣按快處理，直到本層的數(shù)據(jù)處理完成。

4.2.2 循環(huán)優(yōu)化HLS針對(duì)循環(huán)的優(yōu)化指令很多，這里只使用Loop Pipeline和Loop Unrolling。

Loop Pipeline的作用是對(duì)循環(huán)的進(jìn)行流水線化的并行處理，這種方式可以讓兩輪循環(huán)執(zhí)行時(shí)間重疊，使得在本輪循環(huán)過程中下一輪循環(huán)也可以同時(shí)執(zhí)行。

上述圖片是未經(jīng)過流水化處理和經(jīng)過處理的運(yùn)算步驟，可以清楚地看出，如果以兩次迭代為例，未經(jīng)過處理的運(yùn)算需要經(jīng)過5個(gè)時(shí)鐘周期才能完成運(yùn)算，而經(jīng)過流誰化處理的運(yùn)算僅僅需要三個(gè)時(shí)鐘周期。

Loop Unorlling在沒有進(jìn)行循環(huán)優(yōu)化之前，循環(huán)的運(yùn)行按照默認(rèn)設(shè)置來操作的。而當(dāng)進(jìn)行循環(huán)展開后，循環(huán)的電路會(huì)被設(shè)置為N份，N一般有HLS中的指令factor來指定。比如說factor為2時(shí)，此時(shí)的迭代次數(shù)為8的話，那么迭代會(huì)被分為4次進(jìn)行，內(nèi)次是2個(gè)循環(huán)一次實(shí)現(xiàn)的。

4.3 硬件系統(tǒng)的構(gòu)建

4.3.1 PL部分PL部分使用HLS來實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

硬件配置如下：