FPGA在做深度学习加速时需要的技能

前言

做深度学习加速器已经两年了，从RTL设计到仿真验证，以及相应的去了解了Linux驱动，深度学习压缩方法等等。今天来捋一捋AI加速器都涉及到哪些领域，需要哪些方面的知识。可以用于AI加速器的主要有三种不同架构的器件种类：CPU，GPU，AI芯片/FPGA。CPU是一个通用架构芯片，其计算能力和数据带宽相对受到限制，面对大计算量的深度学习就显露出其缺点了。GPU含有大量的计算阵列，可以适用于大规模运算，而且其生态较为成熟和完整，所以现在包揽了所有的深度学习训练和绝大部分深度学习推理。要说有没有缺陷，经常被拿来比较的就是其功耗较大，而且并不是完全针对于深度学习网络的结构，所以还并不能完全利用其计算和存储资源。为了更有针对性的加速深度学习网络，AI芯片（FPGA）近两年也出现了。Intel、阿里平头哥、腾讯、百度等都开始设计自己的AI加速芯片，使用FPGA的有赛灵思、旷视科技等。FPGA用于深度学习加速和AI芯片的架构具有通用性，两者可以看做相同架构，只是用于不同硬件器件。而且通常AI芯片的前期验证也是用FPGA完成的。这篇文章就捋一捋FPGA在做深度学习加速时需要的技能。

1. 一张图

AI加速是一个同时涉及到软件和硬件的领域，下面一张简单的图罗列了AI加速器所有知识。

2. RTL

RTL部分设计主要考虑到以下几个方面：
1） 考察神经网络每个部分的计算量和参数数据，选择适合在FPGA上进行加速的部分。比如对于CNN网络，卷积运算占据整个网络的绝大部分计算，因此会占据FPGA中的绝大部分DSP资源。但是在卷积运算之间还存在激活函数、归一化等操作，这些虽然计算量不大，但是会对整个加速形成瓶颈，因此如何能够与卷积运算形成流水对性能影响也很大；

2） 设计加速算法。只要考虑好这两点就解决了主要问题：一个是计算资源利用率，另外一个是miss ratio。计算资源利用率包括FPGA上空间资源利用率，还包括计算资源的时间利用率。空间利用率越高，说明算力越高，时间利用率越高表明有效计算越高，加速效果越好。Miss ratio反映了片上cache存储的参数是否能够及时供给计算使用。如果能及时供给使用，那么从片外加载数据的时间就可以被压缩。

3） 架构的通用性。基本上架构都是基于指令集的，指令集主要依据加速器的计算核来定义的，算是复杂指令集。一个指令包含了参数的存储位置，需要数量，计算方式等等。由于深度网络操作数量比较单一，比如LSTM基本上就包括矩阵乘法、加法、向量乘法、激活等。大概也就有不超过10个指令就能涵盖一个LSTM网络了。为了适配这样的指令，架构大概包含以下结构：

外部总线：主要用于和外部ddr进行数据交互。

内部存储：储存要用到的参数和数据，及时供给计算核。Cache缓存是为了解决读取DDR带宽瓶颈问题。

指令解析：获取指令进行解析，发送给相应模块进行处理。

内部总线：为每个计算核提供数据读写通路。

计算核：张量计算核，用于加速神经网络计算。

计算核互联线：实现不同计算核之间的直接互联，可以实现不同计算核的pipeline。

Batch：包含了计算核、指令解析、计算核互联线等。当然如果内部cache并不是用的很多，一个batch也可以包含有内部cache。这些batch实际上可以看做神经网络运行的线程，多个batch就支持多线程神经网络计算。比如一个LSTM网络可以在有batch=2的硬件上同时进行两个句子的运算。

线程控制：用于控制多batch操作。

3. 验证

验证主要包括两个方面，一个是对指令集正确性进行验证，另外一个是对RTL代码进行仿真。指令集的验证需要有一个CMODEL来对编译器生成指令的正确性进行校验，校验准确才能够给硬件使用。因为仿真环境也需要随机化指令来对RTL代码进行校验，所以cmodel也会用于仿真环境中。我以UVM为例来说明，其基本结构如下：

指令随机化：对指令进行约束，生成随机指令；

指令驱动：将指令转换成文件，提供给cmodel，以及初始化到ddr文件中；

参数随机化：随机化权重等参数；

参数驱动：将参数初始化为ddr文件；

AXI驱动：这个包含AXI读写ddr文件的驱动，用于和DUT进行交互；

Monitor：监测DUT行为，和cmodel的数据进行对比；

4. 驱动

驱动主要是完成ddr的初始化，线程控制的配置以及中断响应等。首先将权重等参数初始化到ddr中，然后通过axi总线配置FPGA的寄存器，同时对FPGA产生的中断进行响应。获取ddr中结果数据等。一般如zynq等SoC器件，因为集成了arm核，所以驱动相对简单。如果软件端在服务器，那么还需要PCIE等驱动来支持和服务器的交互。以SoC器件为例，linux驱动正常工作需要以下步骤：
1. 制作RTL硬件工程，生成bit文件和hardware配置文件；

2. 利用SDK生成fsbl文件，这个主要完成对zynq器件的一些基本硬件配置；

3. 制作linux的uboot、kernel、devicetree等文件；

4. 用fsbl、bit、uboot、kernel、devicetree制作boot.bin；

5. 选择linux文件系统，如linaro等。制作SD卡镜像，烧写到SD卡中，启动SoC器件；

5. 编译器

编译器主要能够根据深度学习模型来生成指令，并优化指令。以TVM为例，它基于计算图，对接市场上主流的深度学习框架：tensorflow、pytorch等，将这些模型进行计算图的转化，然后基于这些计算图来进行图的优化和指令优化。TVM目标是通用性，所以其兼容CPU、GPU、TPU，同时还要对接更多的深度学习框架。所以其很庞大。针对FPGA自身的AI加速器，可以以这个为借鉴，开发自己的compiler。同时依据自身硬件特点进行指令的优化。

计算图是基本很多编译器采用的图结构，其贯穿了指令优化和生成始终。计算图中的节点包含了数据信息和相应操作。这些节点相互连接形成了一个网络计算的依赖关系。计算图是一个基于tensor操作的图，它并不像通用CPU编译器的细化的标量操作。因为FPGA加速器中计算核一般都是张量操作。这是和CPU不同的。而且这样的计算图也相对简洁。

一个张量操作的实现有很多可能，因为依据数据之间的依赖关系和维度大小，可以对张量运算进行分解为多步操作。这些分解有很多。因此优化一个计算图就会面临很多这样可能的步骤。这被称为schedule，优化就是在这些schedule空间中找出最优的那个顺序。TVM中提出了一个基于机器学习模型的优化方法，去搜寻schedule空间，找到最适于硬件的图。然后生成指令。

6. 模型压缩

模型压缩有很多方法，根据压缩目标主要包括量化和剪枝。量化就是将浮点定点化，剪枝就是去除一些冗余的连接或者数据。从一些文献调研的结果有以下一些方式：

1） 二值化网络；

2） 向量压缩方法；

3） 知识蒸馏；

4） CP分解；

5） 降维分解；

6） 深度压缩；

7） 自动化搜索空间；

7. 软件部署

因为FPGA并不适合加速神经网络的所有部分或者还没有相应IP来加速一些模块，那么这些操作就会放在CPU上进行，比如对于LSTM网络，前边的embedding层还有后端的softmax或者类别生成。这些都更适合在CPU上做。因此软件部署来调用FPGA硬核IP，和FPGA进行交互。同时还有一些数据准备、打印等操作，客户展示。这些都是软件部署要做的。

总结

一个AI加速涉及到了算法、软件、驱动、硬件方面，因此通常做AI加速的团队都比较庞大，包含了算法到硬件的各种人才。