Efficient Neural Networks on the Edge with FPGAs by Optimizing an Adaptive Activation Function

计算机科学 现场可编程门阵列 人工神经网络 预失真 激活函数 边缘设备 带宽(计算) 计算机硬件 人工智能 放大器 计算机网络 云计算 操作系统
作者
Yiyue Jiang,Andrius Vaicaitis,John Dooley,Miriam Leeser
出处
期刊:Sensors [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:24 (6): 1829-1829 被引量:10
标识
DOI:10.3390/s24061829
摘要

The implementation of neural networks (NNs) on edge devices enables local processing of wireless data, but faces challenges such as high computational complexity and memory requirements when deep neural networks (DNNs) are used. Shallow neural networks customized for specific problems are more efficient, requiring fewer resources and resulting in a lower latency solution. An additional benefit of the smaller network size is that it is suitable for real-time processing on edge devices. The main concern with shallow neural networks is their accuracy performance compared to DNNs. In this paper, we demonstrate that a customized adaptive activation function (AAF) can meet the accuracy of a DNN. We designed an efficient FPGA implementation for a customized segmented spline curve neural network (SSCNN) structure to replace the traditional fixed activation function with an AAF. We compared our SSCNN with different neural network structures such as a real-valued time-delay neural network (RVTDNN), an augmented real-valued time-delay neural network (ARVTDNN), and deep neural networks with different parameters. Our proposed SSCNN implementation uses 40% fewer hardware resources and no block RAMs compared to the DNN with similar accuracy. We experimentally validated this computationally efficient and memory-saving FPGA implementation of the SSCNN for digital predistortion of radio-frequency (RF) power amplifiers using the AMD/Xilinx RFSoC ZCU111. The implemented solution uses less than 3% of the available resources. The solution also enables an increase of the clock frequency to 221.12 MHz, allowing the transmission of wide bandwidth signals.
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