Método para execução de redes neurais convolucionais em FPGA.

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Sousa, Mark Cappello Ferreira de
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: AlexNet; Convolutional neural networks; Embedded pattern recognition; FPGA; Image recognition; Reconhecimento de imagem; Reconhecimento embarcado de padrões; Redes neurais; Sistema-em-um-chip; System-on-chip
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-14082019-110912/

Redes Neurais Convolucionais têm sido utilizadas com sucesso para reconhecimento de padrões em imagens. Porém, o seu alto custo computacional e a grande quantidade de parâmetros envolvidos dificultam a execução em tempo real deste tipo de rede neural artificial em aplicações embarcadas, onde o poder de processamento e a capacidade de armazenamento de dados são restritos. Este trabalho estudou e desenvolveu um método para execução em tempo real em FPGAs de uma Rede Neural Convolucional treinada, aproveitando o poder de processamento paralelo deste tipo de dispositivo. O foco deste trabalho consistiu na execução das camadas convolucionais, pois estas camadas podem contribuir com até 99% da carga computacional de toda a rede. Nos experimentos, um dispositivo FPGA foi utilizado conjugado com um processador ARM dual-core em um mesmo substrato de silício. Apenas o dispositivo FPGA foi utilizado para executar as camadas convolucionais da Rede Neural Convolucional AlexNet. O método estudado neste trabalho foca na distribuição eficiente dos recursos do FPGA por meio do balanceamento do pipeline formado pelas camadas convolucionais, uso de buffers para redução e reutilização de memória para armazenamento dos dados intermediários (gerados e consumidos pelas camadas convolucionais) e uso de precisão numérica de 8 bits para armazenamento dos kernels e aumento da vazão de leitura dos mesmos. Com o método desenvolvido, foi possível executar todas as cinco camadas convolucionais da AlexNet em 3,9 ms, com a frequência máxima de operação de 76,9 MHz. Também foi possível armazenar todos os parâmetros das camadas convolucionais na memória interna do FPGA, eliminando possíveis gargalos de acesso à memória externa.