[發(fā)明專利]一種針對(duì)空間應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片抗輻照系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010098399.7
• 申請(qǐng)日: 2020-02-18
• 公開（公告）號(hào): CN111340205B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王慧玲;錢歡;謝卓辰;梁旭文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院;上海微小衛(wèi)星工程中心
• 主分類號(hào): G06N3/063
• 分類號(hào): G06N3/063;G06N3/082;G06N3/084
• 代理公司: 上海智晟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31313
• 代理人: 李鏑的

本發(fā)明公開一種針對(duì)空間應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片抗輻照系統(tǒng)及方法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片及FPGA芯片。針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，采用退網(wǎng)的方法，在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中以一定概率丟棄一些神經(jīng)元，然后，在將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)配置到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)推斷的過程中，通過對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)造成的錯(cuò)誤參數(shù)進(jìn)行錯(cuò)誤定位并將其置0，并重新寫入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的權(quán)值存儲(chǔ)區(qū)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的權(quán)值參數(shù)刷新工作，減少錯(cuò)誤參數(shù)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抗輻照功能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空航天技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及針對(duì)空間應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片抗輻照技術(shù)。

背景技術(shù)

近些年，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，其在深度學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理與計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域都取得了巨大成就。同時(shí)，人工智能也開始從智能化工具逐漸向智能機(jī)器進(jìn)軍，這就使得原有的微控制單元(MCU)早已無法滿足深度學(xué)習(xí)的海量數(shù)據(jù)運(yùn)算和高速運(yùn)算的要求,因此，人工智能(AI)芯片應(yīng)運(yùn)而生。搭載神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能芯片隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的提高，其功能也越來越強(qiáng)大，同時(shí)，隨著芯片工藝的發(fā)展，現(xiàn)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片大都為專用集成芯片，其尺寸越來越小，電路集成度逐步提高。其中，比較有代表性的包括：IBM仿人腦TrueNorth芯片、英偉達(dá)的GPU芯片系列、以寒武紀(jì)的DianNao芯片以及地平線機(jī)器人的BPU芯片。

由于人工智能芯片可以大幅提升衛(wèi)星大數(shù)據(jù)的快速提取、智能處理與分析等效率,因此，其在衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域也取得了廣泛的應(yīng)用。但是，由于空間環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，空間粒子造成的輻射和沖擊會(huì)對(duì)集成芯片的正常穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生諸多的影響。為了較大程度的減少這些輻照效應(yīng)的影響，目前通常采用一些加固技術(shù)，如增加冗余存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)或SOI工藝。其中，增加冗余存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電路級(jí)加固技術(shù)需要額外的面積開銷，這與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片集成度的提高趨勢(shì)相違背，而SOI結(jié)構(gòu)雖然可以通過其埋氧化層使器件之間完全隔離，從根本上消除了單粒子閂鎖(SEL)效應(yīng)。但是SOI工藝成本較高，同時(shí)該結(jié)構(gòu)相對(duì)較厚的襯底和埋氧層依然無法阻止質(zhì)子的穿透，從底部入射的質(zhì)子同樣可以在耗盡區(qū)產(chǎn)生能量沉積從而產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)(SEU)，另外納米器件的直徑可能小于重離子入射徑跡的直徑，導(dǎo)致的SEU效應(yīng)通常會(huì)對(duì)鄰近的幾個(gè)器件同時(shí)造成影響，進(jìn)而發(fā)生多點(diǎn)同時(shí)翻轉(zhuǎn)。因此當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的尺寸達(dá)到納米級(jí)后，電荷共享引起的單粒子翻轉(zhuǎn)概率不容忽略，這將導(dǎo)致原本存儲(chǔ)在芯片存儲(chǔ)器的部分權(quán)重參數(shù)隨機(jī)發(fā)生比特位翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而神經(jīng)元的權(quán)重參數(shù)值就會(huì)發(fā)生變化，這就會(huì)直接影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果的準(zhǔn)確度。

發(fā)明內(nèi)容

為了減小空間輻照引起的單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果準(zhǔn)確率的影響，本發(fā)明一方面提供一種針對(duì)空間應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片抗輻照系統(tǒng)，包括：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，用于存儲(chǔ)經(jīng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片包括權(quán)值存儲(chǔ)區(qū)，所述權(quán)值存儲(chǔ)區(qū)用于存儲(chǔ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值參數(shù)的參數(shù)值；以及

FPGA芯片，所述FPGA芯片用于在所定義的時(shí)間段內(nèi)兩次讀取所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的權(quán)值存儲(chǔ)區(qū)的權(quán)值參數(shù)的參數(shù)值，并將兩次讀取的權(quán)值參數(shù)的參數(shù)值進(jìn)行比較，其中如果兩次讀取的權(quán)值參數(shù)的參數(shù)值不同，則將讀取的數(shù)值不同的權(quán)值參數(shù)的所述參數(shù)值置為0，并且如果兩次讀取的權(quán)值參數(shù)的參數(shù)值一致，則不做操作。

進(jìn)一步的，所述系統(tǒng)還包括計(jì)算機(jī)，用于對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元進(jìn)行退網(wǎng)，并進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練；以及將經(jīng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)配置到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片中。

本發(fā)明另一方面提供一種針對(duì)空間應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片抗輻照方法，包括：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練；

配置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)配置到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片中；以及

當(dāng)所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片穩(wěn)定工作后，每隔一定時(shí)間連續(xù)兩次讀取所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的權(quán)值存儲(chǔ)區(qū)的權(quán)值參數(shù)，并比較：

若前后讀取的權(quán)值參數(shù)的數(shù)值不同，則判定有單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的發(fā)生，此時(shí)，將前后讀取不同的權(quán)值參數(shù)的參數(shù)值置為0；以及

若前后讀取的權(quán)值參數(shù)的數(shù)值一致，則不更改。