用FPGA構(gòu)建邊緣AI推理應(yīng)用很難？這樣做，變簡單！

對于希望在邊緣的推理處理器上實(shí)施人工智能 (AI) 算法的設(shè)計(jì)人員來說，他們正不斷面臨著降低功耗并縮短開發(fā)時間的壓力，即使在處理需求不斷增加的情況下也是如此?，F(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 為實(shí)施邊緣AI所需的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (NN) 推理引擎提供了特別有效的速度和效率效率組合。然而，對于不熟悉 FPGA 的開發(fā)人員來說，傳統(tǒng)FPGA的開發(fā)方法可能相當(dāng)復(fù)雜，往往導(dǎo)致他們?nèi)ミx擇不太理想的解決方案。

本文將介紹來自Microchip Technology的一種比較簡單的方法。通過這種方法，開發(fā)人員可以使用FPGA和軟件開發(fā)套件 (SDK) 構(gòu)建經(jīng)過訓(xùn)練的NN，或者使用基于FPGA的視頻套件立即啟動智能嵌入式視覺應(yīng)用開發(fā)，從而避開傳統(tǒng)的FPGA開發(fā)。

為什么要在邊緣使用AI？

邊緣計(jì)算為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用帶來了諸多好處，涵蓋了包括工業(yè)自動化、安全系統(tǒng)、智能家居等在內(nèi)的多個領(lǐng)域。在以工廠車間為目標(biāo)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用中，邊緣計(jì)算通過避免到云端應(yīng)用的往返延遲，可以顯著縮短過程控制環(huán)路的響應(yīng)時間。同樣，基于邊緣的安全系統(tǒng)或智能家居門鎖即使由于意外或人為原因與云端的連接斷開時，也能繼續(xù)正常工作。在很多情況下，在任何此類應(yīng)用中使用邊緣計(jì)算時，都可以通過減少產(chǎn)品對云資源的依賴來幫助降低整體運(yùn)營成本。隨著產(chǎn)品要求的提高，開發(fā)者可以依靠產(chǎn)品中內(nèi)置的本地處理功能去幫助維持更穩(wěn)定的運(yùn)營開支，而不會面臨增加昂貴的云資源的意外需求。

對機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 推理模型的快速接受和需求的增加，極大地提高了邊緣計(jì)算的重要性。對于開發(fā)人員來說，推理模型的本地處理能力有助于降低云端推理所需的響應(yīng)延遲和云資源成本。對于用戶來說，使用本地推理模型會讓他們更加相信，其產(chǎn)品在偶爾與互聯(lián)網(wǎng)斷開或基于云的供應(yīng)商產(chǎn)品發(fā)生變化時仍能正常運(yùn)行。此外，在安全和隱私方面的擔(dān)憂會進(jìn)一步推動對本地處理和推理的需求，以限制通過公共互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆贫说拿舾行畔?shù)量。

為基于視覺的對象檢測開發(fā)NN推理模型是一個多步驟過程。首先進(jìn)行模型訓(xùn)練，這一步通常在TensorFlow等ML框架上使用公開的標(biāo)記圖像或自定義的標(biāo)記圖像進(jìn)行訓(xùn)練。由于處理需求，模型訓(xùn)練通常使用云端或其他高性能計(jì)算平臺的圖形處理單元 (GPU) 進(jìn)行。訓(xùn)練完成后，模型被轉(zhuǎn)換為能夠在邊緣或霧計(jì)算資源上運(yùn)行的推理模型，并將推理結(jié)果以一組對象類概率的形式交付（圖1）。

圖1：在多步驟過程的末端實(shí)現(xiàn)邊緣人工智能的推理模型，需要使用現(xiàn)有或定制型訓(xùn)練數(shù)據(jù)在框架上訓(xùn)練和優(yōu)化NN。（圖片來源：Microchip Technology）

為什么推理模型存在計(jì)算方面的挑戰(zhàn)？

與訓(xùn)練過程中使用的模型相比，雖然NN推理模型的大小和復(fù)雜程度都有所降低，但還是需要大量計(jì)算，這對于通用處理器來說仍是一個挑戰(zhàn)。在其通用形式中，深層NN模型由多層神經(jīng)元集組成。在一個全連接網(wǎng)絡(luò)的每一層內(nèi)，每個神經(jīng)元nij 都需要計(jì)算每個輸入與相關(guān)權(quán)重系數(shù)Wij 的乘積之和（圖2）。

圖2：通過NN進(jìn)行推理所需的計(jì)算次數(shù)會造成龐大的計(jì)算工作量。（圖片來源：Microchip Technology）

圖2中沒有顯示激活函數(shù)和類似函數(shù)帶來的額外計(jì)算要求。激活函數(shù)通過將負(fù)值映射為零，將大于1的值映射為1來修改每個神經(jīng)元的輸出。每個神經(jīng)元nij 的激活函數(shù)的輸出作為下一層i+1的輸入，以此類推直至每一層。NN模型的輸出層最終產(chǎn)生一個輸出向量，代表原始輸入向量（或矩陣）對應(yīng)于監(jiān)督學(xué)習(xí)過程中使用的某一個類（或標(biāo)簽）的概率。

相比上圖所示具有代表性的通用NN架構(gòu)，有效的NN模型是由大得多、復(fù)雜得多的架構(gòu)來構(gòu)建的。例如，用于圖像對象檢測的典型卷積NN (CNN) 以分段方式應(yīng)用這些原理，掃描輸入圖像寬度、高度和顏色深度，從而生成一系列最終會產(chǎn)生輸出預(yù)測向量的特征圖（圖3）。

圖3：用于圖像對象檢測的CNN會在許多層中牽涉到大量神經(jīng)元，這對計(jì)算平臺提出了更高的要求。（圖片來源：Aphex34 CC BY-SA 4.0）

用FPGA加速NN數(shù)學(xué)

雖然在邊緣執(zhí)行推理模型的方案不斷涌現(xiàn)，但很少有方案能夠提供實(shí)際的邊緣高速推理所需的最佳靈活性、性能和能效組合。在現(xiàn)有的邊緣AI替代品中，F(xiàn)PGA特別有效，因?yàn)樗鼈兛蓤?zhí)行基于硬件的高性能計(jì)算密集型工作，同時功耗相對較低。

盡管FPGA優(yōu)勢突出，但由于傳統(tǒng)的開發(fā)流程有時會讓沒有豐富FPGA經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員望而生畏，舍棄FPGA。為了有效實(shí)施通過NN框架生成的NN模型的FPGA，開發(fā)人員需要了解將模型轉(zhuǎn)換為寄存器傳輸語言 (RTL)、設(shè)計(jì)綜合和最終審定之間的細(xì)微差別，并需要制定具體的設(shè)計(jì)階段路線，從而做到優(yōu)化實(shí)施（圖4）。

圖4：為了在FPGA上實(shí)現(xiàn)NN模型，開發(fā)人員即便是現(xiàn)在還需要了解如何將其模型轉(zhuǎn)換為RTL，并執(zhí)行傳統(tǒng)的FPGA工作流程。（圖片來源：Microchip Technology）

憑借其PolarFire FPGA、專用軟件和相關(guān)知識產(chǎn)權(quán) (IP)，Microchip Technology提供了一種解決方案，讓沒有FPGA經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員也能廣泛地使用高性能、低功耗邊緣推理。

PolarFire FPGA采用先進(jìn)的非易失性工藝技術(shù)制造，旨在最大限度地提高靈活性和性能，同時將功耗降至最低。除了用于通信和輸入/輸出 (I/O) 的大量高速接口外，它們還具有深厚的FPGA結(jié)構(gòu)，能夠使用軟IP內(nèi)核支持高級功能，具體包括RISC-V處理器、高級內(nèi)存控制器和其他標(biāo)準(zhǔn)接口子系統(tǒng)（圖5）。

圖 5：Microchip Technology 的 PolarFire 架構(gòu)提供了一種深度結(jié)構(gòu)，旨在支持高性能設(shè)計(jì)要求，包括實(shí)施計(jì)算密集型推理模型。（圖片來源：Microchip Technology）

PolarFire FPGA架構(gòu)提供了一套廣泛的邏輯元件和專用功能塊，通過PolarFire FPGA系列的不同器件獲得各種不同的容量支持，具體包括MPF100T、MPF200T、MPF300T和MPF500T系列（表1）。

表1：PolarFire系列包括多種FPGA結(jié)構(gòu)特性和容量。（表格來源：Digi-Key Electronics，基于Microchip Technology的PolarFire數(shù)據(jù)表）

在特別令人關(guān)注的推理加速功能中，PolarFire架構(gòu)包括一個專用數(shù)學(xué)塊，提供一個具有預(yù)加法器的18位 × 18位有符號乘法累加函數(shù)(MAC)。內(nèi)置的點(diǎn)積模式使用一個數(shù)學(xué)塊來執(zhí)行兩個8位乘法運(yùn)算，通過利用模型量化對精度的影響可以忽略這一優(yōu)勢，提供了一種可提高容量的機(jī)制。

除了能加快數(shù)學(xué)運(yùn)算外，PolarFire架構(gòu)還有助于緩解在通用架構(gòu)上實(shí)施推理模型時遇到的存儲器擁堵問題，例如用來保存在NN算法執(zhí)行過程中創(chuàng)建的中間結(jié)果的小型分布式存儲器。另外，NN模型的權(quán)重值和偏置值可以存儲在一個系數(shù)為16深 x 18位的只讀存儲器(ROM) 中，這種存儲器通過位于數(shù)學(xué)塊附近的邏輯元件構(gòu)建。

結(jié)合其他PolarFire FPGA結(jié)構(gòu)特性，數(shù)學(xué)塊為Microchip Technology更高級別的CoreVectorBlox IP奠定了基礎(chǔ)。這將作為一個靈活的NN引擎，能夠執(zhí)行不同類型的NN。除了一組控制寄存器外，CoreVectorBlox IP還包括三個主要功能塊：

●   微控制器：一個簡單的RISC-V軟處理器，可從外部存儲器讀取Microchip固件二進(jìn)制大對象 (BLOB) 和用戶特定型NN BLOB文件。通過執(zhí)行固件BLOB的指令來控制CoreVectorBlox的整體運(yùn)算。

●   矩陣處理器 (MXP)：這是一種由8個32位算術(shù)邏輯單元 (ALU) 組成的軟處理器，旨在使用逐元素張量運(yùn)算對數(shù)據(jù)向量執(zhí)行并行運(yùn)算，包括加法、減法、xor、移位、mul、dotprod等，并根據(jù)需要使用8位、16位和32位混合精度。

●   CNN加速器：使用通過數(shù)學(xué)塊實(shí)現(xiàn)的二維MAC函數(shù)陣列來加速M(fèi)XP運(yùn)算，運(yùn)算精度為8位。

一個完整的NN處理系統(tǒng)將包括CoreVectorBlox IP塊、存儲器、存儲器控制器和主機(jī)處理器，如微軟RISC-V (Mi-V) 軟件處理器內(nèi)核（圖6）。

圖6：CoreVectorBlox IP塊與Microchip的Mi-V RISC-V微控制器等主機(jī)處理器配合，實(shí)現(xiàn)NN推理模型。（圖片來源：Microchip Technology）

在視頻系統(tǒng)實(shí)施過程中，主機(jī)處理器將從系統(tǒng)存儲器加載固件和網(wǎng)絡(luò)BLOB，并將其復(fù)制到雙數(shù)據(jù)速率 (DDR) 隨機(jī)存取存儲器 (RAM) 中供CoreVectorBlox塊使用。當(dāng)視頻幀到達(dá)時，主機(jī)處理器將其寫入DDR RAM，并向CoreVectorBlox塊發(fā)出信號，以開始圖像處理。在主機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)BLOB中定義的推理模型后，CoreVectorBlox塊將結(jié)果（包括圖像分類）寫回DDR RAM中，供目標(biāo)應(yīng)用程序使用。

開發(fā)流程簡化了NN FPGA實(shí)施

Microchip使開發(fā)人員避開了在PolarFire FPGA上實(shí)施NN推理模型的復(fù)雜性。NN模型開發(fā)人員無需處理傳統(tǒng)FPGA流程的細(xì)節(jié)，而是像往常一樣使用其NN框架，并將生成的模型加載到Microchip Technology的VectorBlox 加速器軟件開發(fā)工具包 (SDK) 中。SDK生成所需的一組文件，包括正常FPGA開發(fā)流程所需的文件和上文提到的固件和網(wǎng)絡(luò)BLOB文件（圖7）。

圖 7：VectorBlox Accelerator SDK 管理在 FPGA 上的 NN 模型實(shí)施細(xì)節(jié)，自動生成設(shè)計(jì)并運(yùn)行基于 FPGA 的推理模型所需的文件。（圖片來源：Microchip Technology）

由于VectorBlox Accelerator SDK流程將NN設(shè)計(jì)置于在FPGA中實(shí)施的NN引擎之上，因此不同的NN可以在同一FPGA設(shè)計(jì)上運(yùn)行，而無需重復(fù)FPGA設(shè)計(jì)綜合流程。開發(fā)者為生成的系統(tǒng)創(chuàng)建C/C++代碼，并能在系統(tǒng)內(nèi)快速切換模型，或使用時間切片同時運(yùn)行模型。

VectorBlox Accelerator SDK將Microchip Technology Libero FPGA設(shè)計(jì)套件與NN推理模型開發(fā)的全套功能融為一體。除了模型優(yōu)化、量化和校準(zhǔn)服務(wù)之外，SDK還提供了一個NN仿真器，能讓開發(fā)人員在FPGA硬件實(shí)施中使用其模型之前用相同的BLOB文件進(jìn)行模型評估（圖8）。

圖8：VectorBlox Accelerator SDK提供了一套全面的服務(wù)，旨在優(yōu)化由框架生成的推理模型的FPGA實(shí)施。（圖片來源：Microchip Technology）

VectorBlox Accelerator SDK支持采用開放神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換 (ONNX) 格式的模型，以及來自包括TensorFlow、Caffe、Chainer、PyTorch和MXNET在內(nèi)的多種框架的模型?？芍С值腃NN架構(gòu)包括MNIST、MobileNet版、ResNet-50、Tiny Yolo V2和Tiny Yolo V3。Microchip正在努力擴(kuò)大支持范圍，將大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)納入預(yù)訓(xùn)練模型的開源式OpenVINO工具包開放模型動物園中，包括Yolo V3、Yolo V4、RetinaNet和SSD-MobileNet等。

視頻套件演示FPGA推理

為幫助開發(fā)人員快速啟動智能嵌入式視覺應(yīng)用開發(fā)，Microchip Technology提供了一個全面的樣例應(yīng)用，設(shè)計(jì)用于在該公司的MPF300-VIDEO-KIT PolarFire FPGA視頻和成像套件和參考設(shè)計(jì)上運(yùn)行。

基于Microchip MPF300T PolarFire FPGA，該套件電路板結(jié)合了雙攝像頭傳感器、雙數(shù)據(jù)速率4 (DDR4) RAM、閃存、電源管理和各種接口（圖9）。

圖9：MPF300-VIDEO-KIT PolarFire FPGA視頻和成像套件及相關(guān)軟件能讓開發(fā)人員在智能嵌入式視覺應(yīng)用中快速啟動基于FPGA的推理。（圖片來源：Microchip Technology）

該套件附帶一個完整的Libero設(shè)計(jì)項(xiàng)目，用于生成固件和網(wǎng)絡(luò)BLOB文件。將BLOB文件編程到板載閃存中后，開發(fā)人員點(diǎn)擊Libero中的運(yùn)行按鈕即可開始演示，處理來自攝像頭傳感器的視頻圖像，并將推理結(jié)果在顯示屏上顯示（圖10）。

圖10：Microchip Technology PolarFire FPGA視頻和成像套件演示了如何設(shè)計(jì)和使用圍繞Microchip CoreVectorBlox NN引擎構(gòu)建的智能嵌入式視覺系統(tǒng)的FPGA實(shí)施。（圖片來源：Microchip Technology）

對于每個輸入視頻幀，基于FPGA的系統(tǒng)會執(zhí)行以下步驟（步驟編號與圖10相關(guān)）。

1. 從相機(jī)中加載一幀畫面

2. 將幀存儲在RAM中

3. 讀取RAM中的幀

4. 將原始圖像轉(zhuǎn)換為RGB、平面化RGB并將結(jié)果存儲在RAM中。

5. Mi-V soft RISC-V處理器啟動CoreVectorBlo x引擎，從RAM中檢索圖像，進(jìn)行推理并將分類概率結(jié)果存儲回RAM中。

6. Mi-V使用結(jié)果創(chuàng)建一個包含邊界框、分類結(jié)果和其他元數(shù)據(jù)的疊加幀，并將該框架存儲在RAM中。

7. 原始幀與疊加幀混合并寫入HDMI顯示屏。

該演示支持Tiny Yolo V3和MobileNet V2模型加速，但需要開發(fā)人員改動少許代碼，將模型名稱和元數(shù)據(jù)添加到包含兩個默認(rèn)模型的現(xiàn)有列表中，即可使用上述方法運(yùn)行其他SDK支持的模型。

結(jié)論

NN模型等人工智能算法通常會施加計(jì)算密集型工作負(fù)載，這需要比通用處理器更強(qiáng)大的計(jì)算資源。雖然FPGA能夠很好地滿足推理模型執(zhí)行的性能和低功耗要求，但傳統(tǒng)的FPGA開發(fā)方法可能會很復(fù)雜，往往導(dǎo)致開發(fā)人員轉(zhuǎn)向不太理想的解決方案。