Xilinx zynq系列FPGA实现神经网络中相关资源评估
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目录
zynq7000系列概览
1.内存占用
1.1 FPGA程序中内存的实现方式
1.2 zynq的BRAM内存大小
1.3.一个卷积操作占用的内存
2. PipeCNN可实现性
PipeCNN论文解析：用OpenCL实现FPGA上的大型卷积网络加速
2.1 已实现的PipeCNN资源消耗
3. 实现大型神经网络的方法
4. Virtex-7高端FPGA概览
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zynq7000系列概览
1.内存占用
1.1 FPGA程序中内存的实现方式
参阅xilinx文档UG998
参见FPGA基础知识（一）UG998相关硬件知识 中的Memory archicture and layout
FPGA并没有像软件那样用已有的cache，FPGA的HLS编译器会在FPGA中创建一个快速的memory architecture以最好的适应算法中的数据样式（data layout）。因此FPGA可以有相互独立的不同大小的内部存储空间，例如寄存器，移位寄存器，FIFOs和BRAMs。
寄存器：最快的内存结构，集成在在运算单元之中，获取不需要额外的时延。
移位寄存器：可以被当作一个数据序列，每一个数据可以在不同的运算之中被重复使用。将其中所有数据移动到相邻的存储设备中只需要一个时钟周期。
FIFO：只有一个输入和输出的数据序列，通常被用于循环或循环函数，细节会被HLS编译器处理。
BRAM：集成在FPGA fabric模块中的RAM，每个xilinx的FPGA中集成有多个这样的BRAM。可以被当作有以下特性的cache: 1.不支持像处理器cache中那样的缓存一致性（cache coherency,collision）,不支持处理器中的一些逻辑类型。2.只在设备有电时保持内存。3.不同的BRAM块可以同时传输数据。
1.2 zynq的BRAM内存大小
zynq 7z020的BRAM为4.9Mb，7z035的BRAM为17.6Mb（2.2MB）
1.3.一个卷积操作占用的内存
例如，我们实现的卷积函数，输入27×600，卷积核16×27，输出16×600，数据类型为float。
//convolution operation
for (i = 0; i < 16; i++) {
for (j = 0; j < 600; j++) {
result = 0;
for (k = 0; k < 27; k++) {
temp = weights[i*27+k] * buf_in[k*600+j];
result += temp;
}
buf_out[i*600+j] = result;
}
}在HLS中生成的IPcore占用硬件资源为
在vivado中搭建好系统，占用的资源为：
2. PipeCNN可实现性
PipeCNN是一个基于OpenCL的FPGA实现大型卷积网络的加速器。
PipeCNN解析文档：
PipeCNN论文解析：用OpenCL实现FPGA上的大型卷积网络加速
github地址： https://github.com/doonny/PipeCNN#how-to-use
2.1 已实现的PipeCNN资源消耗
对于Altera FPGA，运用 Intel's OpenCL SDK v16.1 toolset.
对于Xilinx FPGAs, the SDAccel development environment v2017.2 can be used.
Xilinx's KCU1500 (XCKU115 FPGA)（已经有xilin的板子实现过pipeCNN，但是型号比zynq高很多）
硬件资源可以被三个宏调控，device/hw_param.cl. Change the following macros
- VEC_SIZE
- LANE_NUM
- CONV_GP_SIZE_X
消耗资源为
3. 实现大型神经网络的方法
方案一：压缩模型到<2.2MB，可实现在BRAM中
优点：1.速度快 2.实现方便
缺点：1.模型压缩难度 2.难以实现大型网络
方案二：用FPGA调用DDR
优点：1.速度中等 2.可实现大型网络
缺点：调用DDR有难度，开发周期长
方案三：用片上单片机调用DDR（插入SD卡）分包传入IPcore运算
优点：可实现大型网络
缺点：速度较慢
4. Virtex-7高端FPGA概览
Virtex-7为高端FPGA，比zynq高了一个档次。
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