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An FPGA Implementation of Deep Spiking Neural Networks for Low-Power and Fast Classification

尖峰神经网络 现场可编程门阵列 人工神经网络 人工智能 计算机科学 深层神经网络 功率(物理) 模式识别(心理学) 机器学习 神经科学 心理学 嵌入式系统 物理 量子力学
作者
Xiping Ju,Biao Fang,Rui Yan,Xiaoliang Xu,Huajin Tang
出处
期刊:Neural Computation [The MIT Press]
卷期号:32 (1): 182-204 被引量:85
标识
DOI:10.1162/neco_a_01245
摘要

A spiking neural network (SNN) is a type of biological plausibility model that performs information processing based on spikes. Training a deep SNN effectively is challenging due to the nondifferention of spike signals. Recent advances have shown that high-performance SNNs can be obtained by converting convolutional neural networks (CNNs). However, the large-scale SNNs are poorly served by conventional architectures due to the dynamic nature of spiking neurons. In this letter, we propose a hardware architecture to enable efficient implementation of SNNs. All layers in the network are mapped on one chip so that the computation of different time steps can be done in parallel to reduce latency. We propose new spiking max-pooling method to reduce computation complexity. In addition, we apply approaches based on shift register and coarsely grained parallels to accelerate convolution operation. We also investigate the effect of different encoding methods on SNN accuracy. Finally, we validate the hardware architecture on the Xilinx Zynq ZCU102. The experimental results on the MNIST data set show that it can achieve an accuracy of 98.94% with eight-bit quantized weights. Furthermore, it achieves 164 frames per second (FPS) under 150 MHz clock frequency and obtains 41[Formula: see text] speed-up compared to CPU implementation and 22 times lower power than GPU implementation.
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