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脉冲神经网络硬件互连系统的 动态优先级仲裁策略

更新时间：2019-12-24 13:36:18 大小：2M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：脉冲神经网络 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(1) 举报

资料介绍

本文基于EMBRACE脉冲神经网络硬件实现方案提出了一种片上网络路由器的动态优先级仲裁策略,来解决脉冲神经网络脉冲传输的交通负载非均衡问题.该方案使用二维网格片上网络系统实现神经元之间的互连通讯,其基于脉冲发送频率的动态优先级仲裁策略能够降低高频路径的平均延迟及系统丢包风险,提高系统工作稳定性.使用Noxim片上网络模拟器搭建实验平台,测试结果表明采用提出的动态优先级仲裁策略较轮询及固定优先级仲裁器,高频路径延迟平均降低32.33%和34.69%,降低幅度最大达到84.86%和86.20%.在90nm CMOS工艺下,提出的路由器架构硬件面积为213,471μm2,具有较好的扩展性.


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8
Vol． 46 No． 8  
Aug． 2018  
第
期
电
子
学
报
2018  
8
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
脉冲神经网络硬件互连系统的  
动态优先级仲裁策略  
1
1
1
2
， ， ，  
刘俊秀 黄星月 罗玉玲 曹 弋  
( 1．  
，
广西师范大学电子工程学院 广西桂林  
541004; 2．  
萨里大学萨里商学院  
，
商业转型和企业可持续性发展系 英国萨里  
GU27XH)  
:
EMBRACE  
，
脉冲神经网络硬件实现方案提出了一种片上网络路由器的动态优先级仲裁策略  
摘
要
本文基于  
．
来解决脉冲神经网络脉冲传输的交通负载非均衡问题 该方案使用二维网格片上网络系统实现神经元之间的互连通  
， ，  
讯 其基于脉冲发送频率的动态优先级仲裁策略能够降低高频路径的平均延迟及系统丢包风险 提高系统工作稳定  
．
性 使用  
Noxim  
，
片上网络模拟器搭建实验平台 测试结果表明采用提出的动态优先级仲裁策略较轮询及固定优先级仲  
，
裁器 高频路径延迟平均降低  
32. 33% 34. 69% ，  
和 降低幅度最大达到  
84. 86% 86. 20% ． 90nm CMOS ，  
和 在 工艺下 提出  
2
213，471 m ，  
具有较好的扩展性  
．
的路由器架构硬件面积为  
μ
:
;
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
脉冲神经网络 片上网络 路由器 仲裁器 动态优先级  
TP183 0372-2112 ( 2018) 08-1898-08  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 08． 014  
:
:
A
:
文章编号  
文献标识码  
电子学报  
Dynamic Priority Arbitration Strategy for Interconnections  
of Hardware Spiking Neural Networks  
1
1
1
2
LIU Jun-xiu ，HUANG Xing-yue ，LUO Yu-ling ，CAO Yi  
( 1． Faculty of Electronic Engineering，Guangxi Normal University，Guilin，Guangxi 541004，China;  
2． Department of Business Transformation and Sustainable Enterprise，Surrey Business School，University of Surrey，Surrey GU27XH，UK)  
Abstract: Based on the EMBRACE，i． e． a hardware architecture for the SNN，a dynamic priority arbitration strategy  
for a Networks-on-Chip ( NoC) router is proposed to solve the non-balance traffic load problem of the SNN system．  
A2DmeshNoC system is used to provide the interconnected communication for the neurons． The dynamic priority arbitration  
strategy is based on the spiking transmission frequencies and it can reduce the risk of the packet loss and the average delay of  
the paths with heavy traffics，and improve the reliability of system． The Noxim simulator is used to build the simulation plat-  
form． The experimental results show that compared to the round-robin and fixed priority arbitration schemes，the proposed  
dynamic priority arbitration strategy has an average of 32. 33% and 34. 69% ( maximum 84. 86% and 86. 20% ) decrease for  
2
the delays of paths with heavy traffics． Based on the 90nm CMOS technology，the hardware area is 213，471 m ，which  
μ
demonstrates its scalability．  
Key words: spiking neural networks; networks-on-chip; router; arbiter; dynamic priority  
［1］  
．
进行处理  
大的计算能力 人们希望能够建立模拟哺乳动物大脑  
( Net-  
鉴于生物神经元良好的生物学特性和强  
1
引言  
，
脉冲神经网络是迄今最具生物真实性的人工神经  
．
，
关键信息处理机制的类脑系统 近年来 片上网络  
［2，3］  
， ，  
网络模型 具有较强的计算能力 适合对复杂时空信息  
work-on-chip，NoC)  
，
为脉冲神经网络在  
技术的提出  
: 2017-07-27;  
: 2017-11-02;  
:
收稿日期  
修回日期  
责任编辑 蓝红杰  
广西自然科学基金  
( No． KY2016YB059) ;  
:
( No． 61603104，No． 61661008) ;  
( No． 2016GXNSFCA380017，No． 2015GXNSFBA139256) ;  
基金项目 国家自然科学基金  
校引进海外高层 次人 才百 人计划 专项 经 费 广 西高 校科 研项目  
( No． MIMS15-07)  
广西高  
;
广西 多源信息挖掘 与安全重点 实验 室 开发 基 金  
1899  
8
:
刘俊秀 脉冲神经网络硬件互连系统的动态优先级仲裁策略  
第
期
［15，16］  
．
硬件上的互连方案提供了较好的思路 片上网络包括  
TrueNorth  
4096  
，100  
颗内核 万个可编  
芯片  
则包含  
， ，  
计算和通信子系统 前者由计算单元组成 负责完成计  
2. 56  
． ，  
亿个可配置突触 此外 文献  
［9，  
程脉冲神经元和  
， ，  
算任务 后者由路由器及其连接的通信链路组成 负责  
17］ EMBRACE  
中提出的 架构使用了一种新型神经元模  
( Neural Tile) ，  
该结构由数字路由器和一组可编程神  
， ．  
计算单元的通信互连 实现数据资源的信息交互 计算  
块
［4］  
/ ， ．  
经元 突触组成 具有良好的可拓展性 因此本文基于  
．
单元和路由器按照一定的拓扑结构相互连接  
片上  
［5 ～ 7］  
EMBRACE  
，
架构进一步对路由器结构能够优化 提出一  
，
网络技术已被应用于脉冲神经网络  
其中神经元和  
，
种脉冲神经网络动态优先级仲裁策略 它能够对高频  
，
突触映射到片上网络的计算单元模块 脉冲神经元的  
，
通信路径请求进行仲裁 从而平衡网络整体交通流量  
，
，
轴突由片上网络的通信路径来构成 而神经元间的连  
、
提供可靠 高效的通信机制  
．
．
接结构则由片上网络的拓扑结构来模拟 这一方法使  
．
得脉冲神经网络的硬件互连成为可能  
脉冲神经元有多种不同的脉冲模式 这些神经元  
间复杂的交通模式容易引起片上网络硬件系统的交通  
3
基于动态优先级仲裁策略的片上网络路由器  
，
3． 1  
路由节点概述  
1
EMBRACE  
图
表示了在  
架构中神经元模块结构  
1( a)  
， ，  
负载失衡 导致脉冲数据包传输时延增大 进而影响神  
．
及其通信所采用的数据包格式信息 图  
为神经元  
．
经元间的时序行为及脉冲神经网络的整体功能表现  
， ．  
模块 其由神经元计算单元和路由器组成 神经元计算  
因此脉冲神经网络硬件互连系统的一个关键问题在  
、 ，  
单元提供神经元 突触的计算处理功能 而路由器则负  
， ，  
于 如何优化片上网络路由器的设计 从而能够及时传  
．
责神经元模块间的高速通信 每一个路由节点包含了  
．
输脉冲数据包及平衡网络整体交通负载 研究工作  
［8，  
、 、 、 ，  
东 南 西 北四个方向的数据端口 以及一个连接神经  
9］ ，  
中基于片上网络技术 采用二维网格拓扑结构提出  
．
元计算单元的本地端口 神经元模块之间所传送的神  
———EMBRACE．  
了一种脉冲神经网络架构  
本文在此架  
，
经脉冲被表示为一个数据包 如图  
1( b)  
．
所示 它包含数  
，
构的基础上 提出一种新颖的片上网络路由器来满足  
、 ，  
据包头 源节点地址和目的节点地址三个部分 其中数  
．
脉冲神经网络不同交通模式信息传递的实时性需求  
该路由器采用基于高频优先原则的动态优先级仲裁策  
XY  
、
据包头 数据包的格式和各区域位宽可以根据具体应  
，
略 结合  
，
路由算法 可有效地降低高频率通信路径  
，
的时间延迟 能够避免交通负载失衡及其可能引发的  
，
数据包严重时延和丢包风险 提高神经网络硬件系统  
．
工作鲁棒性 同时本文所提出的路由器架构在硬件资  
， ，  
源占用上 具有较低的面积和功耗 能够较好地保持系  
．
统的可扩展性  
2
脉冲神经网络硬件系统相关研究工作  
，
目前 脉冲神经网络的实现方式主要有软件实现  
．
，
和硬件实现两种 前者一般是指利用计算机软件 通过  
流程图设计和程序代码编写来实现神经元模型及其互  
CPU  
．
· ，  
处理器一般基于冯 诺依曼结构 其程序  
连 然而  
顺序执行的本质无法有效保证大量神经元的实时运算  
．
和模拟 近期科研人员已经提出了一些脉冲神经网络  
［9 ～ 17］  
．
， ［10］  
其中 文献 提出了一种基于片  
硬件实现方法  
．
上网络的神经网络硬件架构 该架构采用二维花托拓  
XY  
，
路由算法实现神经元节点互连 能够完成脉冲  
扑和  
．
神经元互连 文献 提出的  
［11］ FACETS  
架构则是一种多  
180，000  
，
层通信的高密度的硬件神经网络 包含了  
个神  
个突触 并采用二维花  
SpiNNa-  
，
经元 同时每个神经元包含  
256  
，
．
托片上网络路由器实现了晶圆之间的互连 而  
［12 ～ 14］  
ker  
18  
ARM968  
则采用了  
个
处理器作为其计算内  
18，000  
， ，  
核 并且使用并行处理方式 模拟  
个脉冲神经  
， ．  
元 互连结构为二维环绕三角网格 另外一种神经形态  

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  • 2020-04-13 09:56:42love11

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