如何使用SLX FPGA优化人脸检测数据中心的OpenCL AI内核？

本案例介绍了如何使用Silexica的SLX FPGA优化人脸检测数据中心的OpenCL AI内核。

引言

FPGA正越来越多地被用作数据中心的协处理器。这一转变背后的驱动力是利用FPGA的并行特性的AI应用。Xilinx Alveo系列加速器卡使用PCI Express接口连接到x86处理器，在这个领域非常流行。对于这些加速器卡的编程，你可以使用自上而下的方法，从顶级的C/C++和OpenCL应用程序开始，然后向低级别的内核工作，或者使用自下而上的方法，将内核块编译成Xilinx对象（.xo），然后可以在以后的阶段连接成二进制。

与自顶向下的流相比，自底向上的流程有几个优点。（1） 它允许将内核的设计、验证和优化与主应用程序分开。（2） 它通过将设计分割成更小的组件，为内核的开发和优化提供更快的迭代周期。（3） 它有利于重复使用；一个（.xo）文件的集合可以像库一样被重复使用。

在本应用案例中，我们使用人脸检测应用作为参考设计，展示设计者在使用Vitis自下而上流程时，如何使用SLX FPGA来优化内核。请注意，同样的方法也适用于从头开始设计内核或从Vitis HLS导入现有内核。

开发流程

创建该应用需要使用Silexica和Xilinx的以下开发工具。

● SLX FPGA版本2020.4-sp1● VitisLibraries 2020.2版● Vitis高级合成2020.2版

● Vitis统一软件平台2020.2版

整个端到端流程如图1所示。该流程从创建一个新的SLX项目开始。但是，如果您有一个现有的Vitis HLS项目，SLX FPGA可以直接导入它。

图1:Vitis自底向上项目的SLX FPGA工作流程

一、创建并配置SLX FPGA项目

启动SLX FPGA，点击“New SLX project”图标，启动项目创建向导。创建一个新的SLX FPGA项目，如图2所示。下一步是配置这个项目。

图2：创建一个新的SLX FPGA项目

当你创建一个新的项目时，配置编辑器会自动出现，但你也可以通过点击橙色的齿轮按钮随时调出它。如图3所示，将你的应用程序源文件拖放到项目的spec文件夹中。在本案例中，我们从Rosette基准1中抽取人脸检测应用。接下来，你需要指定FPGA部件号和构建选项。对于这个应用，我们的目标是Alveo U280 FPGA。在FPGA部件栏，选择xcu280-fsvh2892-2L-e。要设置构建选项，输入clean、build和run命令，如图3所示。对于‘make’项目，如图，请确认makefile没有使用硬编码编译器，而是使用（CC）和（CXX）环境变量来分别引用C和C++编译器。SLX将在不同的分析阶段用其专有的编译器覆盖这些变量。Run命令执行testbench（也包括在基准套件中），以确保功能的正确性，也用于分析应用程序的动态行为。

图3：配置一个新的SLX FPGA项目

这些基本配置完成后，我们可以继续为我们的应用程序选择顶级硬件函数，并设置正确的接口。点击“函数映射”按钮，打开功能映射编辑器。如果你确定顶层硬件函数，检查它的可综合性问题，并使用函数映射编辑器中的右键菜单将其映射到FPGA上。或者，运行自动选择FPGA功能，让SLX自动选择顶层的硬件函数。对于这个人脸识别应用，我们选择face_detect_sw作为我们的顶级硬件函数。一旦正确选择了顶层硬件函数，函数映射编辑器将看起来像图4，所有映射到FPGA的函数将有一个红色边框。

图4:SLX FPGA函数映射编辑器

现在我们准备为这个函数选择接口。在函数映射编辑器中选择顶级硬件函数后，点击properties标签，用左侧的菜单打开接口选择，如图5所示。为所有数组和指针接口选择axi_m接口，为标量选择s_axilite接口。这将生成在Alveo加速器卡上使用Xilinx对象所需的接口pragmas。此外，SLX的优化引擎现在意识到了接口限制，并相应地选择了优化原则。

图5:SLX FPGA接口选择

在正确选择了所有接口后，我们现在设置使用SLX FPGA优化和生成pragmas。

二、在SLX FPGA中生成HLS pragmas

生成HLS pragmas有两个步骤：

1. 在FPGA中查找并并行化循环

2. 生成插入HLS注释的代码

在第一步中，SLX的优化引擎搜索可能的解决方案的设计空间，以确定最优的实用程序和参数集。设计空间包括：（1）循环的不同并行化选项，即针对不同展开因子采用流水线或unroll；（2）数组的多维分割和重构选项（完全分割或循环分割）；

（3）函数层次结构：内联或阻塞。

对于这个特定的例子，这将导致大约1.32 x e19的设计点，SLX的优化引擎将在70秒内收敛到一个解决方案。

图6:SLX FPGA提示视图

图6显示了SLX FPGA提示视图。提示视图中的第四列和第五列显示了应用程序中不同函数和循环的CPU总成本和FPGA总成本。FPGA总成本是对特定功能或回路的延迟估计。这对于帮助开发人员集中精力进行优化特别有用。例如，第33行（图6）上的weekClassifier函数在纯软件实现中花费24.4%的CPU时间。然而，它对FPGA实现中的关键路径延迟的贡献仅为3.63%。

相比之下，在纯软件实现中，cascadeClassifier函数的第4行上的循环（图6）花费了79.9%的CPU时间，但贡献了97.2%的FPGA关键路径延迟。提示视图还突出显示了携带依赖关系的关键循环。请注意，SLX FPGA不认为所有的lcd都是相等的，并将可以忽略的lcd（例如，归纳和缩减变量）从关键的lcd中分离出来。这些信息可以帮助开发人员节省时间，使他们能够将精力集中在FPGA实现中真正重要的应用程序部分。

图7：显示自动编译插入的SLX FPGA代码生成向导单击“Generate HLS Code”按钮 将打开代码转换向导，如图7所示。在这里，用户可以检查生成的代码与原始版本的代码并选择/取消代码生成的pragmas，以便对实现进行微调。

三、在Vitis应用项目中导入Xilinx对象

在一个SLX FPGA项目的hls文件夹包含一个Vitis hls项目SLX优化的源代码。我们使用VitisHLS打开这个项目，并将RTL导出为Xilinx对象，如图8所示。在导出到Vitis之前，我们需要添加Extern“C”包装器以确保C链接。

图8：从Vitis HLS导出Xilinx对象

在Vitis工作空间中，创建一个新的应用程序，使用一个alveso U280卡作为目标设备，如图9所示。

图9：在Vitis统一平台中创建应用程序项目创建项目之后，我们将.xo文件导入内核的src文件夹，如图10所示。导入.xo文件后，单击“添加硬件功能”按钮，并选择列表face_detect_sw。

图10：在Vitis应用程序项目中导入内核开发人员现在可以利用加速的face_detect_sw内核创建更广泛的应用程序，该应用程序运行在x86主机上。

图11：Vitis Analyzer系统图

性能改进

在综合设计的基础上，对SLX优化后的内核与未优化前的内核的性能和资源利用率进行了比较。对于这个特殊的设计，我们允许SLX FPGA使用选定设备上的所有可用资源;但是，如果有必要，还可以添加其他约束。表1显示了结果的摘要。我们发现LUT增加3倍，延迟减少7.8倍，FF增加2.4倍，DSP块增加2.7倍。对于alveso卡来说，这种资源利用率的增加并不是一个大问题，因为所有资源的利用率仍然低于5%。如果需要更高的性能，SLXFPGA中可以提供大量额外的分析功能，以帮助指导设计者更快更有效地重构他们的代码。

结论

本案例展示了如何利用Vitis自下而上的内核流程，将SLX FPGA用于优化针对PCIe连接Alveo卡的内核。在这个例子中，SLX FPGA能够减少一个常用的人工智能内核的延迟，用于人脸检测。该方法可应用于大多数基于赛灵思的数据中心应用，包括亚马逊F1实例。无论是从头开始开发应用，还是重复使用现有的设计并根据需求进行定制，都可以应用这种方法。

原文标题：虹科方案 | 使用HLS优化人脸识OpenCL AI内核

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责任编辑：haq