FPGA Implementations of Neural Networks pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer US

作者:Omondi, Amos R.; Rajapakse, Jagath C.;

出品人:

页数:372

译者:

出版时间:2009-11-23

价格:USD 149.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781441939425

丛书系列:

图书标签:

FPGA
Neural Networks
Hardware Acceleration
Deep Learning
Digital Design
VLSI
Embedded Systems
Computer Architecture
Signal Processing
Artificial Intelligence

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具体描述

The development of neural networks has now reached the stage where they are employed in a large variety of practical contexts. However, to date the majority of such implementations have been in software. While it is generally recognised that hardware implementations could, through performance advantages, greatly increase the use of neural networks, to date the relatively high cost of developing Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) has meant that only a small number of hardware neurocomputers has gone beyond the research-prototype stage. The situation has now changed dramatically: with the appearance of large, dense, highly parallel FPGA circuits it has now become possible to envisage putting large-scale neural networks in hardware, to get high performance at low costs. This in turn makes it practical to develop hardware neural-computing devices for a wide range of applications, ranging from embedded devices in high-volume/low-cost consumer electronics to large-scale stand-alone neurocomputers. Not surprisingly, therefore, research in the area has recently rapidly increased, and even sharper growth can be expected in the next decade or so. Nevertheless, the many opportunities offered by FPGAs also come with many challenges, since most of the existing body of knowledge is based on ASICs (which are not as constrained as FPGAs). These challenges range from the choice of data representation, to the implementation of specialized functions, through to the realization of massively parallel neural networks; and accompanying these are important secondary issues, such as development tools and technology transfer. All these issues are currently being investigated by a large number of researchers, who start from different bases and proceed by different methods, in such a way that there is no systematic core knowledge to start from, evaluate alternatives, validate claims, and so forth. FPGA Implementations of Neural Networks aims to be a timely one that fill this gap in three ways: First, it will contain appropriate foundational material and therefore be appropriate for advanced students or researchers new to the field. Second, it will capture the state of the art, in both depth and breadth and therefore be useful researchers currently active in the field. Third, it will cover directions for future research, i.e. embryonic areas as well as more speculative ones.

《深度学习硬件加速：从理论到实践》简介：本书将带您踏上一段探索深度学习硬件加速奥秘的旅程。我们不再局限于理论模型的优雅，而是聚焦于如何在实际硬件平台上实现高效、高性能的深度学习推理和训练。这本书是一份面向工程师、研究人员以及对将前沿算法转化为落地应用充满热情的学习者的实用指南。核心内容概述：本书内容围绕以下几个核心主题展开，旨在提供一个全面且深入的视角：深度学习算法的硬件化挑战与机遇：深入分析深度学习模型（如卷积神经网络 CNN、循环神经网络 RNN、Transformer 等）的核心计算单元（如卷积、矩阵乘法、激活函数、归一化等）的计算特性、数据依赖性以及内存访问模式。探讨模型量化、剪枝、低秩分解等模型压缩技术如何影响硬件设计，以及这些技术在降低硬件复杂度、能耗和延迟方面的作用。研究不同数据类型（如 FP32, FP16, BF16, INT8, INT4 等）对硬件资源消耗、计算精度和吞吐量的影响，以及如何在精度和效率之间进行权衡。分析实时性、吞吐量、能耗、成本以及鲁棒性等关键性能指标在硬件加速设计中的重要性，以及它们之间的相互制约关系。定制化硬件架构设计原理：数据流驱动的计算引擎：详细介绍如何设计高性能数据流架构，以最大限度地提高计算单元的利用率。我们将探讨基于静态数据流图（SDFG）和动态数据流图（DDFG）的设计方法，以及如何有效地调度和管理计算任务。内存层次结构优化：深入研究多级内存系统（寄存器、片上 SRAM、片外 DRAM）的设计与优化。我们将分析缓存策略、预取机制、数据重用模式以及如何最大限度地减少内存访问延迟和带宽瓶颈。处理单元（PE）阵列设计：探讨各种并行处理单元（PE）阵列的组织方式，如二维 systolic arrays、多维 systolic arrays、基于 tile 的计算等。我们将分析不同阵列结构在处理特定算子（如卷积）时的效率差异。互连网络（NoC）设计：研究用于连接大量处理单元和内存模块的高性能片上互连网络（NoC）。我们将探讨不同的拓扑结构（如 Mesh, Torus, Ring）、路由算法和流量控制机制，以及它们对通信延迟和带宽的影响。特殊功能单元（SFU）设计：介绍为加速特定操作（如激活函数、池化、归一化、softmax 等）而设计的专用硬件单元，以及如何将其高效集成到整体架构中。常用硬件加速技术与平台： ASIC（专用集成电路）设计方法学：概述 ASIC 设计流程，包括 RTL 设计、逻辑综合、布局布线、时序收敛等。本书将重点关注如何在 ASIC 设计中实现深度学习加速器的功耗、性能和面积（PPA）优化。 FPGA（现场可编程门阵列）平台上的实现：详细介绍如何利用 FPGA 的灵活性来开发和部署深度学习加速器。我们将探讨使用硬件描述语言（Verilog/VHDL）、高层综合（HLS）工具以及针对 FPGA 优化的软件框架（如 Vitis AI, OpenVINO for FPGA）进行加速器开发。 GPU（图形处理器）的并行计算模型：探讨 GPU 在深度学习中的作用，以及如何利用 CUDA、OpenCL 等编程模型来编写高效的并行算法。本书将侧重于 GPU 架构如何支撑深度学习的矩阵运算和张量操作。面向 AI 的专用处理器（如 NPU, TPU）的架构特点：简要介绍一些市面上流行的 AI 专用处理器的基本架构理念和设计目标，例如其高度并行化的处理核心、特定的指令集以及与内存系统的协同设计。从模型到硬件的编译与部署流程：深度学习编译器（如 TVM, XLA）的工作原理：深入理解编译器如何将高级深度学习框架（如 TensorFlow, PyTorch）的模型图转化为针对特定硬件后端优化的低级代码。我们将探讨算子融合、内存分配优化、循环展开等编译技术。模型量化与量化感知训练：详细讲解模型量化的概念、不同量化方法的优缺点，以及如何通过量化感知训练来减小量化对模型精度的影响。软件与硬件的协同优化：探讨如何通过软件层面的调优（如算子选择、数据布局、多线程/多进程并行）来最大化硬件加速器的性能。实际部署案例与性能评估：通过具体的应用场景（如图像识别、目标检测、自然语言处理等），展示深度学习加速器在实际部署中的挑战与解决方案，并提供量化性能评估的方法。前沿研究方向与未来展望：类脑计算与脉冲神经网络（SNN）的硬件实现：探讨 SNN 的计算模型及其在能耗方面的潜在优势，以及实现 SNN 的新兴硬件架构。边缘计算与端侧 AI 的硬件挑战：分析在资源受限的边缘设备上实现高效深度学习推理的技术难点，以及相关的硬件设计趋势。可重构计算与动态硬件适应性：研究如何设计能够根据不同模型和工作负载动态调整硬件配置的灵活架构。 AI for Hardware Design：探讨如何利用 AI 技术来辅助硬件设计过程，例如通过机器学习来优化布局布线、功耗预测等。本书特色：理论与实践并重：既有深入的理论分析，也有面向实际应用的工程方法。案例驱动：通过丰富的具体案例，帮助读者理解抽象概念。跨平台视角：覆盖 ASIC、FPGA、GPU 等主流硬件平台。面向未来：关注深度学习硬件加速的前沿技术和发展趋势。目标读者：硬件设计工程师：希望了解如何为深度学习算法设计高效加速器。算法研究人员：寻求将自己的模型实现到实际硬件平台上的途径。嵌入式系统工程师：致力于在边缘设备上部署 AI 应用。计算机体系结构专业学生：对高性能计算和专用硬件设计感兴趣。对 AI 硬件加速技术有浓厚兴趣的任何人士。通过阅读《深度学习硬件加速：从理论到实践》，您将获得构建、优化和部署高性能深度学习硬件加速器的全面知识和实践技能，为迎接智能时代的到来做好充分准备。