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Document Type: Monografia
Title: ArchLearn : Implementação de acelerador em hardware baseado em FPGA para redes neurais artificiais
Authors: Santana, Gabriel Dias de
Issue Date: 29-May-2020
Advisor: Prado, Bruno Otávio Piedade
Resumo : A necessidade de executar sistemas em tempo real e sensíveis a latência levou ao desenvolvimento de um novo paradigma em relação a dominante computação em nuvem, que é chamado de edge computing. Dessa forma, o novo modelo de distribuição dos dados busca trazer o processamento e tratamento dos dados para próximo da borda da rede, motivo que leva o desenvolvimento de plataformas com processadores de baixa potência próximo a sensores e aplicações móveis. Dentro desse contexto, o crescimento do uso de algoritmos de Machine Learning e a possibilidade de transferir parte da execução desses modelos localmente, abre um leque de questões referentes a maneira de como executá-los eficientemente. Isto posto, este trabalho implementou a operação de convolução para uma plataforma FPGA com o objetivo de otimizar o tempo de execução de uma CNN (Convolutional Neural Network) em um microcontrolador. A abordagem proposta foi projetada para executar de forma especializada três camadas convolucionais de uma CNN, que foi treinada para realizar a classificação de 10 classes de imagens presentes no dataset CIFAR-10. Para comparação duas abordagens foram testadas usando um processador ARM CORTEX-M4: sem nenhuma otimização de software e com otimização fornecida por instruções especiais SIMD (Single Instruction, Multiple Data) por meio da biblioteca CMSIS-NN. Como resultado, o tempo de execução das camadas convolucionais alcançado neste trabalho foi até 25% menor em relação ao tempo mais rápido usando apenas o processador.
Abstract: The need to run real-time and latency-sensitive systems has led to the development of a new paradigm in relation to dominant cloud computing, which is called edge computing. Thus, the new data distribution model seeks to bring the processing and treatment of data close to the edge of the network, a reason that leads to the development of platforms with low power processors close to sensors and mobile applications. Within this context, the growth in the use of Machine Learning algorithms and the possibility of transferring part of the execution of these models locally, opens up a range of questions regarding how to execute them efficiently. That said, this work implemented the convolution operation for an FPGA platform in order to optimize the execution time of a CNN (Convolutional Neural Network) in a microcontroller. The proposed approach was designed to perform in a specialized manner three convolutional layers of a CNN, which was trained to perform the classification of 10 classes of images present in the CIFAR-10 dataset. For comparison, two approaches were tested using an ARM CORTEX-M4 processor: without any software optimization and with optimization provided by special instructions SIMD (Single Instruction, Multiple Data) through the CMSIS-NN library. As a result, the execution time of the convolutional layers achieved in this work was up to 25% less than the fastest time using only the processor.
Keywords: Ciência da computação
Ensino de engenharia de computação
Engenharia da computação
FPGA
Aceleração de hardware
Redes neurais artificiais
Hardware
Hardware acceleration
Artificial neural networks
Subject CNPQ: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAO
Language: por
Institution: Universidade Federal de Sergipe
Department: DCOMP - Departamento de Computação – Engenharia de Computação – São Cristóvão - Presencial
Citation: Santana, Gabriel Dias de. ArchLearn : implementação de acelerador em hardware baseado em FPGA para redes neurais artificiais. São Cristóvão, 2020. Monografia (graduação em Engenharia da Computação) – Departamento de Computação, Centro de Ciências Exatas e Tecnologia, Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, SE, 2020
URI: http://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/13507
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