人工智能之EdgeBoard中CNN架构的剖析

（文章来源：粤讯）

人工智能领域边缘侧的应用场景多种多样，在功能、性能、功耗、成本等方面存在差异化的需求，因此一款优秀的人工智能边缘计算平台，应当具备灵活快速适配全场景的能力，能够在安防、医疗、教育、零售等多维度行业应用中实现快速部署。

百度大脑EdgeBoard嵌入式AI解决方案，以其丰富的硬件产品矩阵、自研的多并发高性能通用CNN（Convolution Neural Network）设计架构、灵活多样的软核算力配置，搭配移动端轻量级Paddle Lite高效预测框架，通过百度自定义的MODA （Model Driven Architecture）工具链，依据各应用场景定制化的模型和算法特点，向用户提供高性价比的软硬一体的解决方案，同时和百度大脑模型开发平台（AIStudio、EasyDL）深度打通，实现模型的训练、部署、推理等一站式服务。

EdgeBoard是基于Xilinx 16nm工艺Zynq UltraScale＋ MPSoC的嵌入式AI解决方案，采用Xilinx异构多核平台将四核ARM Cortex－A53处理器和FPGA可编程逻辑集成在一颗芯片上，高性能计算板卡上搭载了丰富的外部接口和设备，具有开发板、边缘计算盒、抓拍机、小型服务器、定制化解决方案等表现形态。

EdgeBoard计算卡产品可以分为FZ9、FZ5、FZ3三个系列，是基于Xilinx XCZU9EG、XAZU5EV、XAZU3EG研发而来，分别具有高性能，视频硬解码，低成本等特点，同时还有不同的DDR容量版本。以上三个版本PS侧同样采用四核Cortex－A53 、双核Cortex－R5、以及GPU Mali－400MP2等处理器配置，PS到PL的接口均为12x32／64／128b AXI Ports，主要的区别在于PL侧拥有的芯片逻辑资源大小不同。

采用上述三种标准产品的硬件板卡或者一致的硬件参考设计，用户可无缝适配运行EdgeBoard公开发布的最新版标准镜像，也可根据自身项目需求定制相关的硬件设计，并进一步根据性能、成本和功耗要求，以及其他功能模块的集成需求，对软核的算力和资源进行个性化配置。

EdgeBoard的CNN加速软核（整体的加速方案称之为软核）提供了一套计算资源和性能优化的AI软件栈，由上至下分别包括应用层软件API、计算加速单元的SDK调度管理、Paddle Lite预测框架基础管理器、Linux操作系统、负责设备管理和内存分配的驱动层和CNN算子的专用硬件加速单元，用来完成卷积神经网络模型的加载、解析、优化和执行等功能。

专用计算加速单元基于FPGA的可编程逻辑资源开发实现，采用ARM CPU和FPGA共享内存的方式，通过高带宽DMA（Direct Memory Access）实现二者数据的高速交互，共享内存也并作为异构计算平台各算子数据在CPU和FPGA协同处理的桥梁，减少了数据在CPU与FPGA之间的重复传输。此外，CNN算子功能模块可直接发起DDR读写操作，充分发挥了FPGA的实时响应特性，减少了CPU中断等待的时间消耗。

作为CNN网络中比重最大、最为核心的卷积计算加速单元，是CNN软核性能加速的关键，也占用了FPGA芯片的大部分算力分配和逻辑资源消耗。下面将针对EdgeBoard卷积计算加速单元的设计思路进行简要介绍，此章节也是理解CNN软核算力弹性配置的技术基础。

每一层网络的卷积运算，有M个输入图片（称之为feature map，对应着一个输入通道），N个输出feature map（N个输出通道），M个输入会分别进行卷积运算然后求和，获得一幅输出map。那么需要的卷积核数量就是M＊N。

针对上述计算特点，EdgeBoard的卷积单元采用脉动阵列的数据流动结构，将数据在PE之间通过寄存器进行打拍操作，可以实现在第二个PE计算结果出来的同时完成和前一个PE的求和。这样可以使数据在运算单元的阵列中进行流动，减少访存的次数，并且结构更加规整，布线更加统一，提高系统工作频率，避免了采用加法树等并行结构所造成的高扇出问题。

SDK可以将一条滑窗链的Feature Map数据分成B块，并将分块数B和每个块的数据量告诉卷积计算加速单元，那么后者则可以分批依次从DDR读取B次Feature Map数据，每次的数据量是可以存入到Image SRAM内。

SDK可以将Kernel的数量分割成S份，使得分割后的每份Kernel数量可以下发到PL侧的Filter SRAM中，然后SDK分别调度S次卷积算子执行操作，所有的数据返回DDR后，再从通道（Channel）维度做这S次计算结果的数据拼接（Concat）即可。不过要注意的是，我们的Filter SRAM虽然不需存储所有Kernel的数据量，但至少要保证能够存储一个Kernel的数据量。

由此看来，即使EdgeBoard三兄弟中最小的FZ3拥有极其有限的片上存储资源，也是能够很好地完成大多数CNN网络的参数适配。

我们以卷积计算加速单元的核心矩阵乘加运算消耗DSP硬核（Hard core）的个数作为CNN软核核心算力的考察指标。当然，这并不包括卷积前处理、后处理模块，以及其他算子加速单元或者用户自定义功能模块所消耗的DSP数量，因此这并不是整个解决方案在FPGA芯片内部的DSP资源消耗。我们的设计可以支持Window并行度1－8的任意整数，支持Kernel并行度包括4，8，16。

目前，EdgeBoard公开版针对卷积计算加速单元Window维度和Kernel维度的并行度配置，以及核心矩阵乘加运算的DSP硬核消耗。

EdgeBoard的CNN软核以其灵活的算力搭配组合以及算子可定制化的特点，既可以根据具体模型的算子组合和所占比例，将一定成本和资源条件内的芯片性能发挥到极致，还可以在满足场景所要求性能的前提下减少不必要的功耗支出，此外还允许开发者缩减软核尺寸并将芯片资源应用于自定义功能的IP中，极大地增强了EdgeBoard人工智能多场景覆盖的能力。
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