Evaluating Fast Algorithms for Convolutional Neural Networks on FPGAs

现场可编程门阵列 计算机科学 卷积神经网络 可重构性 管道(软件) 算法 设计空间探索 嵌入式系统 并行计算 计算机工程 人工智能 电信 程序设计语言
作者
Liqiang Lu,Yun Liang,Qingcheng Xiao,Shengen Yan
标识
DOI:10.1109/fccm.2017.64
摘要

In recent years, Convolutional Neural Networks (CNNs) have become widely adopted for computer vision tasks. FPGAs have been adequately explored as a promising hardware accelerator for CNNs due to its high performance, energy efficiency, and reconfigurability. However, prior FPGA solutions based on the conventional convolutional algorithm is often bounded by the computational capability of FPGAs (e.g., the number of DSPs). In this paper, we demonstrate that fast Winograd algorithm can dramatically reduce the arithmetic complexity, and improve the performance of CNNs on FPGAs. We first propose a novel architecture for implementing Winograd algorithm on FPGAs. Our design employs line buffer structure to effectively reuse the feature map data among different tiles. We also effectively pipeline the Winograd PE engine and initiate multiple PEs through parallelization. Meanwhile, there exists a complex design space to explore. We propose an analytical model to predict the resource usage and reason about the performance. Then, we use the model to guide a fast design space exploration. Experiments using the state-of-the-art CNNs demonstrate the best performance and energy efficiency on FPGAs. We achieve an average 1006.4 GOP/s for the convolutional layers and 854.6 GOP/s for the overall AlexNet and an average 3044.7 GOP/s for the convolutional layers and 2940.7 GOP/s for the overall VGG16 on Xilinx ZCU102 platform.
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