neironne_seti_i_neirokompjuter (1085713), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Основные характеристики наиболее популярных из них приведены втабл. 4.7.Компания Xilinx выпускает семь серий ПЛИС двух типов:§ FPGA – Field Programmable Gate Array;§ CPLD – Complex Programmable Logic Device.Каждая серия содержит от одной до нескольких серий, в свою очередьсостоящих из ряда кристаллов различной емкости, быстродействия и типовкорпуса.129PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comТаблица 4.7. Характеристики ПЛИС фирмы ALTERAСемейства СБИСХарактеристикиMAX 7000E(S)MAX 9000FLEX 8000AFLEX 10KАрхитектураМатрицыИ-ИЛИМатрицыИ-ИЛИТаблицыперекодировкиТаблицыперекодировкиЛогическая емкость600-50006000-120002500-1600010000-100000Внутренняя памятьНетНетНет6-24 Кбит36-16460-21668-20859-406Число пользовательских выводовОсновные свойства и параметры ПЛИС Xilinx:§ значительный объем ресурсов – до 4 млн системных вентилей накристалл;§ высокая производительность с системными частотами до 300 МГц;§ технологические нормы – до 0,18 мкм на шести слоях металла;§ высокаягибкостьархитектурысмножествомсистемныхособенностей: внутреннее распределенное и блочное ОЗУ, логикаускоренного переноса, внутренние буферы с третьим состоянием и т.д.;§ низкое энергопотребление;§ короткий цикл проектирования и быстрое время компиляции;§ развитые и недорогие средства проектирования;§ возможность перевода проектов в заказные схемы Xilinx.При изготовлении ПЛИС фирмой Xilinx используются три основныетехнологии:1.
На основе SRAM (тип FPGA) – конфигурация ПЛИС хранится вовнутреннем "теневом" ОЗУ, а инициализация осуществляется извнешнего массива памяти. По данной технологии выполнены серии:Spartan, Virtex, XC3000, XC4000, XC5200.2. На основе FLASH (тип CPLD) – конфигурация сохраняется вовнутренней энергонезависимой FLASH - памяти и в любой моментвремени может быть перегружена непосредственно из ПК. По даннойтехнологии выполнена серия XC9500.3. На основе EEPROM (тип CPLD) – конфигурация сохраняется вовнутренней энергонезависимой EEPROM - памяти и в любой моментвремени может быть перегружена непосредственно из ПК. По даннойтехнологии выполнена серия CoolRunner.130PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comТаблица 4.8.
Особенности реализации нейропроцессоров на ПЛИС№Тип ПЛИСПроизводительСложностькристалла,количествомакроячеек (CLB)Максимальноечислонейронов1 XC4005E/XLXILINX196 (14x14)62 XC4013XLAXILINX576 (24x24)183 XC4020XLAXILINX784 (28x28)244 XC4044XLAXILINX1600 (40x40)505 XC4062XLAXILINX2304 (42x42)726 XC4085XLXILINX3136 (56x56)977 XC40250XVXILINX80002008 EPF10K2ALTERA14449 EPF10K50EALTERA3601110 EPF10K100EALTERA6241911 EPF10K250EALTERA15205012 M4LV-96/48AMD966313 M4LV-192/96AMD192614 M5LV-256AMD256815 M5LV-512AMD51216Реализация нейропроцессоров на основе ПЛИС требует участияэксперта на топологической стадии проектирования. Это обусловлено тем,что автоматизированный режим разводки пока не позволяет достигать 60100% использования ресурсов кристалла по разводке, а это являетсяпринципиальным для сильносвязанных схем, к которым относятся инейросетевые вычислители.
Характеристики ПЛИС с точки зренияреализации нейросетевых парадигм представлены в табл. 4.8.Построение нейрокомпьютеров на их основе хотя и дает высокуюгибкость создаваемых структур, но пока еще проигрывает другим решениямпо производительности.131PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com5.
НЕЙРОКОМПЬЮТЕРЫ5.1. Основные понятияНейрокомпьютер – это вычислительная система, построенная наосновенейропроцессора(ов),использующаяархитектуру,предусматривающую параллельные потоки однотипных команд имножественные потоки данных, и предназначенная для реализациинейросетевых алгоритмов в реальном масштабе времени.Нейроэмулятор –система, построенная на базе каскадногосоединения универсальных SISD-, SIMD- или MISD-процессоров (Intel,AMD, Sparc, Alpha, Power PC и др.) и реализующая типовые нейрооперации(взвешенное суммирование и нелинейное преобразование) на программномуровне.Нейроускоритель – это нейрокомпьютер, реализованный в виде картыили модуля с распараллеливанием операций на аппаратном уровне.Нейроускорители могут быть построены на основе ПЦОС (Texas InstrumentsInc., Analog Devices, Motorola), ПЛИС и (или) на основеспециализированного (ых) нейрочипа (ов).Нейрокомпьютеры, с точки зрения конструктивной реализации, можноподразделить на изделия, реализованные в виде карт и модулей, иконструктивно-автономные системы.Нейрокомпьютеры, изготовленные в виде карт (виртуальныенейрокомпьютеры), как правило, предназначены для установки в слотрасширения стандартного ПК.
С другой стороны – нейрокомпьютеры в видемодулей соединяются с управляющей Host-ЭВМ по стандартномуинтерфейсу или шине [4].5.2. Нейрокомпьютеры, выпускаемые в виде карт и модулейНейрокомпьютеры в виде карт и модулей представляют мощноесредство, которое обеспечивает современному инженеру-исследователю ианалитику реализацию нейросетевых алгоритмов в реальном масштабевремени.Если раньше большая часть времени уходила на подготовку ипроверку одной-единственной гипотезы, то теперь, с использованиемнейроускорителей, система обрабатывает данные и выдает заключениепрактически в реальном времени. Несмотря на свои впечатляющиевозможности, такие нейрокомпьютеры не очень распространены накомпьютерном рынке из-за высокой цены (от единиц до десятков тысяч132PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comдолларов для карт и от десятков до сотен тысяч долларов для модулей) испецифики и сложности освоения.Все же основная причина отсутствия полнофункциональныхнейрокомпьютеров на рынке – закрытость разработок.
Из сотен фирм,производящих специализированные нейрокомпьютеры и нейропроцессоры,лишь единицы поставляют свою продукцию на массовый рынок. При этом,многие из них создают единичные продукты для спецприложений илиобслуживают оборонный комплекс.Рассмотрим некоторые возможности приобретения современныхнейрокомпьютеров в РФ.На рынке высокопараллельных вычислителей можно выделитьследующие отечественные компании: АОЗТ "Инструментальные системы" иНТЦ "Модуль" [15], производящие несколько моделей нейрокомпьютеров,это также компании AUTEX Ltd. и L-Card Ltd.
– производящиенейрокомпьютеры под заказ на базе микропроцессоров Analog Devices, икомпания ScanTI-Rus [16] – представляющая высокопараллельныевычислители на базе ПЦОС фирмы Texas Instruments Inc.5.2.1. Нейрокомпьютеры, реализованные на базе ПЦОС и ПЛИСВ основе построения нейрокомпьютеров данного типа лежитиспользование ПЦОС или ПЛИС, объединенных между собой всоответствии с архитектурой, которая обеспечивает параллельностьвыполнения вычислительных операций.Как правило, такие нейрокомпьютеры строятся на основе гибкоймодульной архитектуры, которая обеспечивает простоту конфигурациисистемы и наращиваемость вычислительной мощности путем увеличениячисла процессорных модулей или применения более производительныхПЦОС (рис.5.1).
Системы реализуются в основном на базе несущих модулейстандартов ISA, PCI, VME.Основные функциональные элементы данных нейрокомпьютеров:§ модуль матричных ПЦОС,§ рабочая память,§ память программ,§ модуль обеспечения ввода/вывода сигналов (включающий АЦП, ЦАПи TTL линии),§ модуль управления, который может быть реализован на основеспециализированного управляющего ПЦОС (УП), на основе ПЛИСили иметь распределенную структуру, при которой функции общегоуправления распределены между матричными ПЦОС.Реализация нейрокомпьютеров и специализированных вычислителей смассовым параллелизмом на базе ПЦОС и ПЛИС является весьмаэффективным решением задач цифровой обработки сигналов, обработкивидео- и аудиоданных и построения технических систем управления.133PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comРис.
5.1. Обобщенная функциональная схема нейрокомпьютера,реализованного на основе ПЦОС или (и) ПЛИСПри создании нейрокомпьютеров используется гибридная схема –блок матричных вычислений реализуется на базе кластерного соединенияПЦОС, а логика управления – на основе ПЛИС. В качестве элементной базыматричного кластера может использоваться ПЦОС ADSP21060 иTMS320C44, в ближайшее время им на смену придут ADSP2106х иTMS320C67хх. По оценке специалистов, в ближайшем будущем матричноеядро чаще будет реализовываться на базе нейропроцессоров, а ПЦОС иПЛИС останутся основой для построения логики управления (например,Synapse 3).Для построения нейрокомпьютеров данного типа наиболееперспективным является использование сигнальных процессоров сплавающей точкой ADSP2106x, TMS320C4x,8x, DSP96002 и др.Типовая структурная схема реализации нейрокомпьютеров на основеПЦОС ADSP2106x приведена на рис.
5.2. В ее состав включены одинуправляющий ПЦОС для осуществления функций общего управления, и довосьми процессоров осуществляющих параллельные вычисления согласнозаложенным алгоритмам (матричные ПЦОС).Управляющий и матричные процессоры образуют кластерпроцессоров с общей шиной и ресурсами разделяемой памяти. Обменинформациеймеждууправляющимпроцессором,матричнымипроцессорами, Host-ЭВМ и внешней средой осуществляется посредством134PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comпортов ввода/вывода. Для тестирования и отладки предназначен отладочныйJTAG-порт. Так, в случае использования четырех матричных ПЦОС, обменинформацией между ними и УП осуществляется посредством четырехсвязанных портов ADSP2106x, по два связанных порта УП и модуляматричных ПЦОС выводятся на внешние разъемы для обеспечения связи свнешними устройствами.
Имеется 12 внешних линков; по 3 линка каждогоизматричныхПЦОСпредназначеныдлявнутримодульногомежпроцессорного обмена.Синхронизация работы системы может осуществляться как отвнутренних кварцевых, так и от внешних генераторов. Активизациявычислений – программная или внешняя.Рис. 5.2. Пример реализации нейрокомпьютера на основе ПЦОС ADSP2106x135PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comДля ввода/вывода и АЦ/ЦА преобразований сигналов предназначенспециализированный модуль, который включает: универсальный цифровойTTL порт, АЦП, ЦАП, узел программируемых напряжений для смещенияшкал АПЦ и установки порога срабатывания стартовых компараторов, узелфильтрации выходных аналоговых сигналов, подсистему тестирования, узелсинхронизации и управления, буферную память FIFO.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
