Verilog/FPGA开源项目介绍

优秀的 Verilog/FPGA开源项目介绍

脉冲神经网络 （SNN）

介绍

脉冲神经网络（ Spiking neural network-SNN ） 是更接近自然神经网络的人工神经网络。除了神经元和突触状态之外，SNN 还将时间概念纳入其操作模型。这个想法是， SNN 中的神经元不会在每个传播周期传输信息（就像典型的多层感知器网络一样），而是仅在膜电位发生时才传输信息 - 与膜电荷相关的神经元的内在质量 - 达到特定值，称为阈值。当膜电位达到阈值时，神经元会放电，并产生一个信号，该信号传播到其他神经元，这些神经元又会根据该信号增加或降低它们的电位。在阈值交叉时触发的神经元模型也称为脉冲神经元模型。

SNN 原则上可以应用于与传统 ANN 相同的应用。此外，SNN 可以模拟生物有机体的中枢神经系统，例如在事先不了解环境的情况下寻找食物的昆虫。由于它们的相对真实性，它们可用于研究生物神经回路的运作。从关于生物神经元电路的拓扑结构及其功能的假设开始，可以将该电路的记录与相应 SNN 的输出进行比较，从而评估该假设的合理性。然而，SNN 缺乏有效的训练机制，这可能会抑制某些应用，包括计算机视觉任务。

基于 FTJ 的人工突触

下面介绍几个SNN的开源项目。

关于CNN vs. RNN vs. ANN区别，请看下文：

https://www.analyticsvidhya.com/blog/2020/02/cnn-vs-rnn-vs-mlp-analyzing-3-types-of-neural-networks-in-deep-learning/

https://zhuanlan.zhihu.com/p/107993566

ODIN Spiking Neural Network （SNN） Processor

https://github.com/ChFrenkel/ODIN

项目介绍ODIN 是一种在线学习数字脉冲神经处理器，在 2019 年发表在IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems期刊上，在鲁汶天主教大学 （ UCLouvain ） 采用 28 纳米 FDSOI CMOS 设计和原型制作。ODIN 基于单个 256 神经元 64k 突触横杆神经突触核心，具有以下关键特性：

基于脉冲依赖的突触可塑性 （SDSP） 在线学习，

神经元可以再现 20 种 Izhikevich 行为。

因此，ODIN 是一个用于边缘学习的多功能实验平台，同时与所有先前提出的尖峰神经网络 （SNN） 相比，记录神经元和突触密度更高。

使用源代码时，请引用相关论文：

https://arxiv.org/pdf/1804.07858.pdf

同时该项目也有详细的设计文档：

https://github.com/ChFrenkel/ODIN/tree/master/doc

HedgeHog-Fused-Spiking-Neural-Network-Emulator-Compute-Engine

https://github.com/jerry-D/HedgeHog-Fused-Spiking-Neural-Network-Emulator-Compute-Engine

用于 RISC-V 的 HedgeHog 融合脉冲神经网络仿真器/计算引擎（有FPGA验证）

介绍在 Xilinx Kintex Ultra Plus 中运行时钟频率约为 100MHz，它可以执行大约 312qty。每个时钟周期的浮点运算约每秒 310 亿次浮点运算。指令集中的累积和激活位可以连接8个神经元膜。如果你正在探索或试验使用 RISC-V 作为主机 CPU 的 FPGA 嵌入式 AI 应用程序的脉冲神经网络，那么 SYMPL HedgeHog 非常适合你。

这是有关 HedgeHog FSNN 模拟器/计算引擎的 .pdf 信息表：

https://github.com/jerry-D/HedgeHog-Fused-Spiking-Neural-Network-Emulator-Compute-Engine/blob/master/HedgeHog.pdf

在 Xilinx Vivado IDE 中进行仿真Vivado需要的所有 Verilog RTL 源文件都位于此存储库的“RTL”、“ASM”、“test bench”和“sim”文件夹中。顶级模块是“HedgeHog.v”。建议第一次在 Vivado 中创建项目时，选择 Xilinx Kintex Ultra+ xcku5p-ffvd-900-3-e 作为目标器件。在 Vivado 中创建项目后，需要设置“HedgeHog.v”为项目“Top”文件。

下一步是将“SpiNNe_tb.v”测试文件拉入 Vivado 作为激励。然后向下滑动到“Simulation Sources”》“sim_1”，对测试文件“SpiNNe_tb.v”执行与“HedgeHog”相同的操作，在仿真源中将其设置为“top”。

完成后，单击“运行仿真”。之后，会注意到仿真失败。这是因为仿真需要“spikeDemo.HEX”程序来执行 HedgeHog。为了解决这个问题，将“spikeDemo.HEX”文件粘贴到仿真工作目录中：“C:projectNameprojectName.simsim_1ehavxsimspikeDemo.HEX”，在“ASM”文件夹中可以找到汇编语言源代码和对象列表。

接下来，演示仿真，它只是将一系列脉冲推入 HedgeHog，需要“spike_trains.txt”尖峰输入文件和位于“sim”文件夹中的“weights.txt”文件，因此将这两个文件粘贴到与放置“spikeDemo .HEX”文件的工作目录相同。

完成后，再次单击“运行仿真”按钮以启动仿真即可看到仿真结果。

该项目还有很多详细的设计文档，就不一一说明了。

CSE237D-PYNQ-SNN-Accelerator

https://github.com/snagiri/CSE237D-PYNQ-SNN-Accelerator

脉冲神经网络在 PYNQ-Z1 板上的硬件实现

S2NN-HLS

https://github.com/eejlny/S2NN-HLS

该项目提出了一种用于脉冲神经网络的高性能架构，可优化在主存储器中的配置数据的数据精度和流式传输。神经网络基于 Izhikevich 模型，并使用HLS映射到 CPU-FPGA 混合设备。实验表明，将电压和频率缩放应用于 DDR 存储器和可编程逻辑可以分别将其能量需求降低高达 77% 和 76%。

详细设计论文：

http： //dx.doi.org/10.1016 /j.micpro.2017.06.018。

Conversion from CNNs to SNNs

https://github.com/Dengyu-Wu/spkeras

SpKeras 可以通过以下步骤获取和评估基于速率的脉冲神经网络 （SNN）：

使用 Tensorflow-keras 预训练卷积神经网络 （CNN）

使用 SpKeras 将 CNN 转换为 SNN

评估 SNN 并获取参数，例如权重、偏差和阈值

其他

https://github.com/oshears/SNN-FPGA-Implementation

https://github.com/jasha64/SNN-FPGA

https://github.com/Minz9/SNN-on-FPGA

https://github.com/oshears/fpga_snn_models

总结

今天介绍了主要3个SNN的项目，主要是SNN复杂度较TPU或者CNN或者DNN又高了几个台阶，所以用它来直接对FPGA进行移植难度很大，建议对第一个前三个项目进行研究，其他都不怎么推荐（想研究也没有文档）。

关于DNN或者CNN或者SNN也介绍了几十个项目了，后面可能就不会出神经网络的项目了，感觉大家也看腻了，后续会出一些视频处理或者图像处理的项目。

最后还是强推一波官方神经网络加速的项目：

官方提供的各种案例也是基本覆盖了常规应用。

最后，还是感谢各个大佬开源的项目，让我们受益匪浅。后面有什么感兴趣方面的项目，大家可以在后台留言或者加微信留言，今天就到这，我是爆肝的碎碎思，期待下期文章与你相见。

原文标题：优秀的 Verilog/FPGA开源项目- 脉冲神经网络 （SNN）

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审核编辑：彭静