[發明專利]一種基于可重構技術的用于加速卷積和池化運算的裝置

有效

• 申請號: 201811024320.5
• 申請日: 2018-09-04
• 公開（公告）號: CN109284824B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 朱浩哲;王彧;張怡云;史傳進
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G06N3/063
• 分類號: G06N3/063
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

1.一種基于可重構技術的用于加速卷積和池化運算的裝置，其特征在于，包括：

可重構計算單元，用于重構成卷積、最大池化、平均池化三個模式，進行計算；

特征值存儲模塊，用于存儲參加計算的特征值；

卷積權重存儲模塊，用于存儲卷積運算的濾波器權重；

控制模塊，用于接收上位機的指令，對所述可重構計算單元進行動態重構；

其中，所述可重構計算單元，在所述控制模塊的控制下，從所述特征值存儲模塊中讀取參與計算的特征值，在卷積模式時同時從卷積權重存儲模塊中讀取權重，進行計算后將結果寫回特征值存儲模塊中；

在不同的可重構模式下，可重構單元的電路行為不同，具體如下：

卷積模式的計算流程為：

（1）累加器的結果寄存器初始化為零，或者初始化為偏置；

（2）將乘法器的第2個乘法因數輸入端口配置成從卷積權重存儲模塊接收濾波器權重；

（3）可重構計算單元從特征值存儲模塊中接收輸入特征值，經乘法器與相應的濾波器權重相乘后，與結果寄存器中的數值相加，將相加獲得的部分和存儲在結果寄存器中；

（4）反復步驟（3），直到完成卷積運算，此時結果寄存器中的結果即是最終的卷積結果，將其寫回到特征值存儲模塊中；

最大池化模式的計算流程為：

（1）累加器的結果寄存器初始化為最小值；

（2）將乘法器的第2個乘法因數輸入端口配置成立即數-1；

（3）可重構計算單元從特征值存儲模塊中接收輸入特征值，經乘法器與立即數-1相乘后，與結果寄存器中的數值相加，這一操作相當于兩數相減作差；若相加的結果為負數，說明該輸入特征值大于結果寄存器中存儲的中間結果，則將該輸入特征值存入結果寄存器中；若相加的結果為非負數，說明該輸入特征值小于或等于結果寄存器中存儲的中間結果，則結果寄存器無需更新；

（4）反復步驟（3），直到完成最大池化運算，此時結果寄存器中的結果即是最終的最大池化結果，將其寫回到特征值存儲模塊中；

平均池化模式的計算流程為：

（1）累加器的結果寄存器初始化為零；

（2）將乘法器的第2個乘法因數輸入端口配置成立即數1/n，這里n為平均池化窗口的元素個數；

（3）可重構計算單元從特征值存儲模塊中接收輸入特征值，經乘法器與立即數1/n相乘后，與結果寄存器中的數值相加，將相加獲得的部分和存儲在結果寄存器中；

（4）反復步驟（3），直到完成平均池化運算，此時結果寄存器中的結果即是最終的平均池化結果，將其寫回到特征值存儲模塊中。

2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的可重構計算單元，包括一個乘法器和一個累加器；其中：

可重構計算單元的乘法器，具有以下特征：

第一個乘法因數輸入端口接收來自所述特征值存儲模塊的輸入特征值；

第二個乘法因數輸入端口被重構為接收來自所述卷積權重存儲模塊的卷積濾波器權重，或被直接重構為立即數；

可重構計算單元的累加器，具有以下特征：

所述累加器由一個加法器和一個結果寄存器組成；

所述加法器接收來自所述乘法器的輸出，將其與所述結果寄存器中存儲的數值相加后，產生加法器的輸出。

3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，在每次卷積或池化運算開始前，結果寄存器中存儲的數值進行初始化。

4.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的可重構計算單元中，乘法器和加法器根據時序需要采用組合邏輯實現，或采用多級流水線實現。

5.根據權利要求1-3之一所述的裝置，其特征在于，所述特征值存儲模塊和所述卷積權重存儲模塊，根據不同數據流，采用一個或多個存儲模塊物理實現。

6.根據權利要求1-3之一所述的裝置，其特征在于，所述可重構計算單元為若干個，組成可重構計算陣列，以提高運算并行度。