LUT-Network～本物のリアルタイムコンピューティングを目指して～

Ryuji Fuchikami

渕上 竜司

fpgax発表資料2019/02/02

自己紹介• 基本的にサンデープログラマ（平日はサラリーマンやってる２児の父親）

• 1976年生まれ 全国転々としつつも結局、福岡出身＆福岡在住

• 1998～ μITRON仕様 Real-Time OS HOS-80 をリリース

• 現在 HOS-V4a にて各種組み込みCPUに対応

(ARM,H8,SH,MIPS,x86,Z80,AM,V850,MicroBlaze, etc.)

• 2008～ FPGA用ソフトコアSoC環境 Jelly をリリース(MIPS互換コア)

• 現在 Zynq 上にて Real-Time GPU や LUT-Network の実験など

各種 Real-Time コア開発の実験場と化す

• 2018～ LUT-Network用の環境 BinaryBrain を開発中

• 本日のお題

• 電脳メガネ計画(他にもいろいろやってますが今はこれ)

• Real-Time 画像I/O (カメラ[IMX219] & OLED 1000fps駆動)

• Real-Time GPU開発 (frame buffer無し、ゼロ遅延描画)

• Real-Time DNN開発 (超低遅延DNN認識）

2

まなみ・画

リアルタイムコンピューティングとは？• 現実世界のダイナミクスに計算機の方を合わせる技術

• 人が計算機に合わせることに疑問を持たなくなってませんか？

• 世の中には複数の人やモノがあり、相互作用したり、自律制御したり

• 「スループットが破綻しない」 ≠ 「真のリアルタイム処理」

• 対象のダイナミクスに応じた応答性が出せてこそ（超体感コンピューティング）

人

人モノ

モノ

デジタルミラー

どこでも窓

遠隔運転

宇宙探査ロボ

介護ロボ

電脳メガネ

生活空間に計算をアドオンするということ

3

計算機

自律制御

動画紹介

多くの計算機は生活動線の枠外で稼動

リアルタイムコンピューティングの遷り変わり

• マイコン(Single ALU)の時代• 貴重なトランジスタを割り当てたALUを如何に有効に使うか？

• どのタスクから順に処理するかで現実世界に及ぼす価値が変わる→ スケジューリング問題 (Real-Time OS のスケジューラで解く)

• 並列演算器の時代• 豊富なトランジスタを如何に休ませずに稼動させるかに問題が変化

• 効率を上げれば確かに速くはなるが、リアルタイム保証は逆に困難に(計算が速い ≠ リアルタイム処理)

• ノイマンアーキテクチャからの脱却→ データフロープロセッサとして、クリティカルパス短縮問題へ

(アルゴリズムとセットで設計)

4

並列化時代のリアルタイムコンピューティング(提案)

メモリ

プロセッサ入力装置 出力装置

間に合わなければコマ落ち(fps低下)

一度メモリに入らないと演算できない

命令フロー型のプログラミング(ノイマン型)

データフロー型のプログラミング

メモリ

プロセッサ入力装置 出力装置

・データは最短経路で出力に反映・入出力データを直接演算・メモリには何でも書ける

/(過去データは)何でも読める[チューリング完全性の維持]

5

データフロープログラミングに適したモダンな手法

Deep

Neural

Network

6

Deep Neural Network

• リアルタイムコンピューティングにDNNを適用したい

• ツールさえ揃えば、DNN研究者は明日から優秀なリアルタイムプログラマ

• 課題

• DNNの演算量が非常に多い（≒ 結果として非常に遅い)→ 今のままのだと演算資源がデータパスに入りきれない

• DNNがGPUなどの非リアルタイム型計算機に馴染む方向に進化中→ 由々しき問題。FPGAはもっと自由(GPUと同じ土俵で戦う必要なし)

• DNNの性能をfpsで語る風潮→ ベストエフォート(出来高払い)ではなくリアルタイム保証したい

• 解決に向けたアプローチ

• FPGA ＋ LUT-Network ← やっと本題

7

LUT-Network とは？

FPGAのLUTで作ったネットワーク

8

LUT-Network の概要

• 通常のDNN

1. ニューロ素子を配置して結線を定義

2. 学習を実施

3. 各ニューロ素子の重み係数が得られる

• LUT-Network

1. LUT素子を配置して結線を定義

2. 学習を実施

3. 各LUTのテーブルが得られる

θ

x1

x2

x3

xn

･･･

w1

w2

w3

wn

y

9

先に現在の成果の紹介

10

xc7z020clg400-1

こんな微小リソース量で 認識が1ミリ秒の遅延でできてます

MNISTコア単体性能CNN時 318,877fps(まだ本気ではない)

カメラも含めたシステム動作1000fps

LUT-Networkの特徴

• 基本的にはエッジでのPredictionの効率化技術

• バイナリ・ニューラル・ネットワークの一種である

• BDNNで可能なものは(原理的には)学習可能(な筈)

• LUT単位の学習なので高密度＆高速(300～400MHz)

• ネットワーク定義時に回路規模が決まる

• FPGA内のリソースを決めてから、その範囲での最大の認識率が探れる

• つまりリアルタイム保証を先に行える

通常DNNのFPGA適用 LUT Network

認識率 学習時に決定 出来高払い(ベストエフォート)

性能 合成結果で出来高払い(ベストエフォート)

学習に先立って決定

11

そもそも論として今の回路開発って....

12

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

何かの認識目標

数式どおり実行する回路

対象データを何か入力して良い結果を出力するのが目的(それ以上でも以下でもない)

認識器(目的)の回路化ではなく、計算機(手段)の回路化になってませんか？

無駄多くないですか？

数式(アルゴリズム)

FPGA合成プログラミング

Network Design

Learning(e.g. Tensor Flow)

Convert to C++

network

parameter

C++ source code

High Level Synthesis(e.g. Vivado HLS)

RTL(behavior)

Synthesis(e.g. Vivado)

Complete(many LUTs, 100～200MHz)

Network CircuitDesign

network(FPGA Circuit)

Learning(BinaryBrain)

RTL(net-list)

Complete(few LUTs, 300～400MHz)

Synthesis(e.g. Vivado)

LUT Networkのデザインフロー

【従来】 【LUT-Network】

13

どうやってLUTを学習させるのか？

• LUTを直接学習

• Trainデータに対して、損失関数が最小化するように直接LUTテーブルを最適化

• 学習可能な構成に制約

• MLPのみ学習可能

• 単独で大きなネットの直接学習は困難(別のBDNNから層単位で模倣学習は可能)

• 勾配を用いないので非Trainデータに対する特性が従来DNNと異なる可能性(Adversarial Examplesなどに効果ないか？)

• 誤差逆伝播によって学習

• BDNNの手法を応用

• 畳込みを含む基本的なネットワークの学習が可能

２つのアイデア

14

[直接学習] 学習方法

入力値 発生回数 0出力時の損失 1出力時の損失

0 37932 47813.7 48233.9

1 39482 50001.3 49692.9

2 37028 44698.9 44845.7

3 40640 49257.1 49331.0

4 27156 33998.4 33891.0

5 23930 29538.6 29495.2

6 29002 35197.3 35451.4

7 27786 33390.9 33466.9

8 43532 52741.1 52993.5

9 41628 49985.9 50388.5

10 49176 56521.4 56026.1

11 46542 54215.4 54284.9

・・・・

・・・・

・・・・

・・・・

59 34268 41152.9 41215.8

60 22872 28852.4 29000.0

61 17930 22068.9 22112.9

62 24156 28213.2 28227.1

63 24194 28367.0 28450.4

新しいテーブル値

0

1

0

0

1

1

0

0

0

0

1

0

・・・・

0

0

0

0

0

1. LUTテーブルを一旦乱数で埋める2. ある1個のLUTの出力を0と1それぞれに固定して学習データ全部流す3. LUTの入力値毎に損失関数の総和を取っておき、損失が減る方向にテーブルを

更新

15

[直接学習] MNISTの学習実験

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

MNIST学習実験

学習データ(6万個) 評価データ(1万個)

小規模実験ではあるが、学習に用いたデータでの認識率とほぼ対応する形で、評価用のデータセットでも認識率の向上が見られた。

層構成：360-180-30 の570個のLUTを利用結線 ：全層ともランダム結線

16

思いの外、過学習的な挙動を示さない

[直接学習] 模倣学習の可能性について(仮説)

• まだなんの実験できていないので仮説ですが

• 巨大なネットについて• 現状のままでは巨大なネットは学習困難(課題)

• ただし従来のバイナリネットワークの手法で学習された巨大なネットの学習結果を模倣できる可能性はある。

• 各層個別に、学習データの入出力結果のみを取り出して学習できないか？

• 非学習データに対しては異なる特性を示す可能性がないか？• そもそも学習に勾配を用いていないので、Adversarial Examples攻撃

に耐性が無いか？

17

[直接学習] 模倣学習によるLUT化のアイデア(未検証)

Affine

Binarize

im2col

BatchNorm

col2im

BinAct

ReLU

Binarize

CONV

Affine

SoftMax

従来のネット

BinAct

CONV

Affine

BatchNorm

BinAct

BatchNormAffine

SoftMax

BinAct

BatchNorm

活性化層のバイナリ化

畳み込み層のLoweringによるAffine化

Binarize

im2col

col2im

SoftMax

LUT Layer

LUT Layer

LUT Layer･･･

LUT Layer

LUT Layer

LUT Layer･･･

模倣学習

まだ試せるところまで作りこめていないです.... 18

[直接学習] FPGAのLUTの動的変更について

• 重みの変更を動的にやるにはLUTのテーブル変更が必要• パーシャルリコンフィギュレー

ショでもよいが、Xilinx のSRLC32E とかは書き換え可能なLUTとして使えるのでは？

• いっそ学習に使えないか？• LUTの動作はCPUで行うと遅い• LUTテーブルが動的に変更できれ

ば学習に使えるのでは？• 統計テーブルを作るための信号引

き出しが課題？• パーシャルリコンフィギュレー

ションとも併用でなんとかならないか？

19

～ FPGAでLearningもやれる可能性 ～

[誤差逆伝播] 誤差逆伝播法による手法

• LUTと同じ入出力条件のニューラルネットワークの定義

• 6入力1出力のバイナリ結合のNetwork

• 従来のバイナリネットを疎結合にしただけ？ → No！

• 入出力だけバイナリ

• パーセプロトン＋BN＋BinAct をまとめて1個のLUT

• 内部はフル実装

• 重み係数も計算も浮動小数点精度

20

LUTmapping

Ba

tch

No

rma

lizatio

n

Bin

ary

-Ac

tiva

tion

・・・

20

yxwvu

tsrqp

onmlk

jihgf

edcba

000

000

000

000

000

wv

ts

ok

gf

db

Dense-Affine (Fully Connection)

Sparse-Affine (最初のアイデア)

・・・

synthesis

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

LUTmapping

Ba

tch

No

rma

lizatio

n

Bin

ary

-Ac

tiva

tion

Ba

tch

No

rma

lizatio

n

Bin

ary

-Ac

tiva

tion

Deep Logic(Low-speed and Middle Performance)

同じくXORはだめでも高速(300MHz～400MHz)

1層ではXORは学習できない100MHz～200MHz

micro-MLPを束ねた層(現在の実装)

LUTmapping

Ba

tch

No

rma

lizatio

n

Bin

ary

-Ac

tiva

tion

1層でXORも学習できる高速(300MHz～400MHz)

・・・

Simple Logic(High-speed and Low Performance)

Simple Logic(High-speed and High Performance)

BNもLUT内に含める

隠れ層もLUT内に含める

この単位を micro-MLP として定義

[誤差逆伝播] アイデアの変遷

21

[誤差逆伝播] バイナリ活性層 (binary activation layer)

• forward

• Sign()

• 𝑦 = ቊ1 𝑖𝑓 𝑥 ≥ 0,0 𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟𝑤𝑖𝑠𝑒,

• 符号見るだけ

• backward

• hard-tanh()

• 𝑔𝑥 = 1 𝑥 ≤1

• 小さい値の時のみ伝播

Binary Connect の方法をそのまま拝借(先人の知恵に感謝)

重みは実数なので Batch Normalization はオリジナルの実数版を使う

22

Ba

tch

No

rma

lizatio

n

Bin

ary

-Ac

tiva

tion

・・・

[誤差逆伝播] Batch Normalization(計算式は変えずに実装だけ工夫)

=

N

i

ixN 1

1

x

=

N

i

ixN 1

1

−

2x +xx

1−

* * +

=

N

i

ixN 1

1

x

=

N

i

ixN 1

21

−

2x

− +xx

1

* * +

x1 = 0, x2 =0;for ( i = 0; i < n; ++i ) {x1 += x[i];

}mean = x1 / n;

for ( i = 0; i < n; ++i )x2 += (x[i] - mean) * (x[i] - mean);

}var = x2 / n;

x1 = 0, x2 =0;for ( i = 0; i < n; ++i ) {

x1 += x[i];x2 += x[i] * x[i];

}mean = x1 / n;var = x2 / n - mean * mean;

x tmp y

x

Σx

y

Σx2

dx

Σx

dy

back

x

back back

dy

Σx Σx2

tmp

forward backward

forward backward

re-calc

23

・Batch Normalization多用するので最適化が重要・平均と分散を１パスで計算・中間処理用のメモリを大幅削減・そのままだと精度が下がるのでループ内で誤差蓄積変数を別に準備して対策。

Ba

tch

No

rma

lizatio

n

Bin

ary

-Ac

tiva

tion

・・・

[誤差逆伝播] パーセプトロン部分

6次のXORパターンを学習実験

中間層はいくら増やしてもPredictionのリソースは増えない

数が多いほど学習性能は高い(Learning時の計算量は増える)

数が少ないとそもそも学習できないケースが多発(局所解)

20個以上あれば大丈夫？(調整も今後の課題)

24

中間層に何個のパーセプトロンがあれば十分か？

Ba

tch

No

rma

lizatio

n

Bin

ary

-Ac

tiva

tion

・・・

中間層の個数を変えて、直接学習と比較

LUT数570個小さなMLPにおける直接学習と誤差逆伝播法の比較

適用可能な範囲においては直接学習は優秀

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

学習方式比較 (360-180-30 MLPでのMNIST)

直接学習 SparseAffine μMLP<4> μMLP<8> μMLP<16> μMLP<32> μMLP<64>

25

[誤差逆伝播] micro-MLP の学習

Affine Layer

(16～64 perceptron)

Activation Layer

Sigmoid or ReLU

・・・・

・・・・

Affine Layer(1 perceptron)

Batch Normalization

Activation Layer

Binarize

6 signals input (0.0 or 1.0)

【Learning (FP32) [CPU/GPU]】

1 signal output (0.0 or 1.0)

×16～64(FP32)

×1 (FP32)

【Prediction (Binary) [FPGA)]】

LUT（64bit Look-up Table）

6 signals input (H or L)

1 signal output (H or L)

Affine Layer

(16～64 perceptron)

Activation Layer

Sigmoid or ReLU

・・・・

・・・・

Affine Layer(1 perceptron)

Batch Normalization

Activation Layer

hard-tanh

1 gradient input (FP32)

6 gradients output (FP32)

<Forward> <Backward>

<Forward>

logicsynthesis

× 16～64(FP32)

×1 (FP32)

×6 (Binary)

×1 (Binary)

×1 (FP32)

×1 (FP32)

×6 (FP32)

×16～64(FP32)

× 16～64(FP32)

×1 (FP32)

26

Learning Prediction

Matrix(行列)

Weight(重み)

Activation(活性化)

Convolution(畳み込み層)

Deep

Network

performance of

CPUs/GPUs

performance of

FPGA

Binary

ConnectDense(密行列)

Binary(2値)

Real(実数)

OK

Binarized

Neural

Network

Dense(密行列)

Binary(2値)

Binary(2値)

OK

XNOR-

NetworkDense(密行列)

Binary(2値)

Binary(2値)

OK

LUT-

NetworkSparse(疎行列)

Real (実数)

Binary (2値)

OK ？(原理的にXNOR-Netより

有利なはず)

good(良い)

excellent(非常に良い)

bad(イマイチ)

1 node → many adders

1 node → many XNOR

1 node → many XNOR

1 node → 1 LUT

excellent(非常に良い)

[誤差逆伝播] 従来の Binary Networkとの比較

27

普通のバイナリネットは Wightの縮小が目的だが、LUT-NetではここはRealのまま放置！

学習環境(BinaryBrain)

• 今回の実験の為に開発した環境(C++ & Eigen)

• githubにて公開中

• https://github.com/ryuz/BinaryBrain

• 特徴

• 直接学習／逆伝播のどちらも計算可能

• RTL(Verilog)を出力できる[今のところ Xilinxしか試してないですが]

• TensorFlowもChainerもTorchもCaffeも知らずノリで書いた(笑)

• 参考書は「ゼロから作るDeep Learning」のみ

• 大半は車輪の再発明

• 6入力LUTの処理をOpenMP+AVX (コア数×256並列)で記述

• 1bitデータで構成されたテンソルをメモリに稠密に格納できるバッファオブジェクト

• 逆伝播はFMA2命令でFP32演算を普通に記述(コア数×8並列)

• 普通のDNNもシンプルなCNN程度なら学習可能(なるべく条件を揃えてベンチマークがしたい)

Ver.1(直接学習の実験)→ Ver.2(逆伝播の実験)

→ 現在GPUを使った本格的な環境としてVer.3を開発中

28

実例紹介１ [MNIST MLP](1000fps 動作)

DNN

(LUT-Net)MIPI-CSI

RX

Raspberry Pi Camera V2

(Sony IMX219)

SERDESTX

PS

(Linux)

SERDES RXFIN1216

DMA

OLEDUG-9664HDDAG01

DDR3SDRAM

I2C

MIPI-CSI

Original Board

PCX-Window

1000fps640x132

1000fps

control

PL (Jelly)

BinaryBrain

Ether

RTL

offline learning (PC)

ZYBO Z7-20

debug view

29動画紹介

MNIST MLP

総LUT: 1182 個

input:784

layer0: 256

layer1: 256

layer2: 128

layer3: 128

layer4: 128

layer5: 128

layer6: 128

layer7: 30

Camera + OLED込みの全体リソース

DNN部はLUTのみハードマクロで指定(ぴったり上記のリソース量)

DNN部のみのリソース250MHz = 250,000,000fps

DNN(LUT-Net)

MIPI-CSI

RX

Raspberry Pi Camera V2

(Sony IMX219)

SERDESTX

PS

(Linux)

SERDES RXFIN1216

DMA

OLEDUG-9664HDDAG01

DDR3SDRAM

I2C

MIPI-CSI

Original Board

PCX-Window

1000fps640x132

1000fps

control

PL (Jelly)

BinaryBrain

Ether

RTL

offline learning (PC)

ZYBO Z7-20

debug view

OSD(frame-mem)

31

事例紹介２ MNIST CNN(1000fp動作)

動画紹介

MNIST CNN 学習時ログ

fitting start : MnistCnnBininitial test_accuracy : 0.1518[save] MnistCnnBin_net_1.json[load] MnistCnnBin_net.jsonfitting start : MnistCnnBin[initial] test_accuracy : 0.6778 train_accuracy : 0.6694

695.31s epoch[ 2] test_accuracy : 0.7661 train_accuracy : 0.74731464.13s epoch[ 3] test_accuracy : 0.8042 train_accuracy : 0.79142206.67s epoch[ 4] test_accuracy : 0.8445 train_accuracy : 0.82132913.12s epoch[ 5] test_accuracy : 0.8511 train_accuracy : 0.84603621.61s epoch[ 6] test_accuracy : 0.8755 train_accuracy : 0.86164325.83s epoch[ 7] test_accuracy : 0.8713 train_accuracy : 0.87305022.86s epoch[ 8] test_accuracy : 0.9086 train_accuracy : 0.88635724.22s epoch[ 9] test_accuracy : 0.9126 train_accuracy : 0.89306436.04s epoch[ 10] test_accuracy : 0.9213 train_accuracy : 0.89867128.01s epoch[ 11] test_accuracy : 0.9115 train_accuracy : 0.90347814.35s epoch[ 12] test_accuracy : 0.9078 train_accuracy : 0.90618531.97s epoch[ 13] test_accuracy : 0.9089 train_accuracy : 0.90829229.73s epoch[ 14] test_accuracy : 0.9276 train_accuracy : 0.90989950.20s epoch[ 15] test_accuracy : 0.9161 train_accuracy : 0.910510663.83s epoch[ 16] test_accuracy : 0.9243 train_accuracy : 0.914611337.86s epoch[ 17] test_accuracy : 0.9280 train_accuracy : 0.9121

fitting end

32

→ その後95%までは行ったがさすがに小規模すぎた

MNIST CNN (DNN部リソース)

CN

V3

x3

CN

V3

x3

Ma

xP

ol

Affin

e

CN

V3

x3

CN

V3

x3

Ma

xP

ol

Affin

e

// sub-networks for convolution(3x3)bb::NeuralNetSparseMicroMlp<6, 16>sub0_smm0(1 * 3 * 3, 192);bb::NeuralNetSparseMicroMlp<6, 16>sub0_smm1(192, 32);bb::NeuralNetGroup<>sub0_net;sub0_net.AddLayer(&sub0_smm0);sub0_net.AddLayer(&sub0_smm1);

// sub-networks for convolution(3x3)bb::NeuralNetSparseMicroMlp<6, 16>sub1_smm0(32 * 3 * 3, 192);bb::NeuralNetSparseMicroMlp<6, 16>sub1_smm1(192, 32);bb::NeuralNetGroup<>sub1_net;sub1_net.AddLayer(&sub1_smm0);sub1_net.AddLayer(&sub1_smm1);

// sub-networks for convolution(3x3)bb::NeuralNetSparseMicroMlp<6, 16>sub3_smm0(32 * 3 * 3, 192);bb::NeuralNetSparseMicroMlp<6, 16>sub3_smm1(192, 32);bb::NeuralNetGroup<>sub3_net;sub3_net.AddLayer(&sub3_smm0);sub3_net.AddLayer(&sub3_smm1);

// sub-networks for convolution(3x3)bb::NeuralNetSparseMicroMlp<6, 16>sub4_smm0(32 * 3 * 3, 192);bb::NeuralNetSparseMicroMlp<6, 16>sub4_smm1(192, 32);bb::NeuralNetGroup<>sub4_net;sub4_net.AddLayer(&sub4_smm0);sub4_net.AddLayer(&sub4_smm1);

// main-networksbb::NeuralNetRealToBinary<float>input_real2bin(28 * 28, 28 * 28);bb::NeuralNetLoweringConvolution<>layer0_conv(&sub0_net, 1, 28, 28, 32, 3, 3);bb::NeuralNetLoweringConvolution<>layer1_conv(&sub1_net, 32, 26, 26, 32, 3, 3);bb::NeuralNetMaxPooling<>layer2_maxpol(32, 24, 24, 2, 2);bb::NeuralNetLoweringConvolution<>layer3_conv(&sub3_net, 32, 12, 12, 32, 3, 3);bb::NeuralNetLoweringConvolution<>layer4_conv(&sub4_net, 32, 10, 10, 32, 3, 3);bb::NeuralNetMaxPooling<>layer5_maxpol(32, 8, 8, 2, 2);bb::NeuralNetSparseMicroMlp<6, 16>layer6_smm(32 * 4 * 4, 480);bb::NeuralNetSparseMicroMlp<6, 16>layer7_smm(480, 80);bb::NeuralNetBinaryToReal<float>output_bin2real(80, 10);

xc7z020clg400-1

33

DNN部のみ250MHz / (28x28) = 318,877fps

MNIST CNN (システム全体リソース)Camera + OLED込みの全体リソース

34

シミュレーション結果

Learning prediction

operatorCPU

1Coreoperator

CPU 1Core

(1 weight calculate instructions)

FPGA

(XILIN 7-Series)ASIC

multi-

cyclepipeline multi-cycle pipeline

Affine

(Float)

Multiplier

+ adder

0.25

cycle

Multiplier

+ adder

0.125 cycle

(8 parallel [FMA])

[MUL] DSP:2

LUT:133

[ADD]

LUT:413

左×node数 gate : over 10k gate : over 10M

Affine

(INT16)

Multiplier

+ adder

0.125

cycle

Multiplier

+ adder

0.0625 cycle

(16 parallel)[MAC] DSP:1 左×node数 gate : 0.5k～1k gate : over 1M

Binary

Connect

Multiplier

+ adder

0.25

cycle

adder

+adder

0.125 cycle

(8 parallel)[MAC] DSP:1 左×node数 gate : 100～200 左×node数

BNN/

XNOR-Net

Multiplier

+ adder

0.25

cycle

XNOR

+popcnt

0.0039+0.0156 cycle

(256 parallel)

LUT:6～12

(接続数次第)

LUT:400～10000

(接続数次第)gate : 20～60 左×node数

6-LUT-Net μPLD4.6

cycleLUT

1.16 cycle

(6 input load

+ 1 table load) / 6

(256 parallel)

LUT : 1

(over

spec)

LUT : 1

(fit)

gate : 10～30

(over spec)gate : 10～30

2-LUT-NetMultiplier

+ adder

0.5

cyclelogic-gate

1.5 cycle

(2 input load

+ 1 table load) / 2

LUT : 1

(over

spec)

LUT : 1

(over spec)

gate : 1

(over spec)

gate : 1

(fit)

演算機リソース規模について

※ 重要なところ意外は主観で適当に書いてます m(_ _)m35

バイナリ化による精度変化

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324252627282930313233

全結線CNNのバイナリ化比較

ReLU BinAct

CN

V3

x3

Bin

arize

Ac

tiva

te

CN

V3

x3

Ac

tiva

te

Ma

xP

ol

Dro

po

ut

Affin

e

Ac

tiva

te

Dro

po

ut

Affin

e

So

ftMa

x

36

単純にバイナリ化すると性能は落ちる(ある意味当たり前)

バイナリ化して浮いたリソースで規模の増強などが必要

結線の問題

• 疎接続する時点で「どこをどう繋ぐか？」は課題として発生

• まだMLPでのMNIST実験だけだが

• 下手に規則正しく繋ぐと過学習する模様！？（要精査）

• ランダム結線は今のところ意外に性能が良い(というか今のところ最善？)

• だが配線混雑でルーティングできないケースも発生

• CNNだとノード数がある程度小さくなるのでこの問題は大幅緩和

• 密結合での重み主体で結線を疎結合化してもランダムに勝てていない

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

ランダム結線

test train

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

隣接結線

test train

37

過学習

Real-Time化に向けたアーキ考察 (例：U-Net)

Conv

Conv

Pooling

Conv

Conv

UP

Conv

Convframe

memory

framememory

Motion

Compensation

Pooling

Conv

Conv

Conv

Conv

UP

Conv

Conv

Pooling

Conv

Conv

UP

Conv

Conv

framememory

Motion

Compensation

Motion

Compensation

SDRAM

SDRAM

SDRAM

pooling後のデータは解像度が低いので1frame前のものを動き補償して使えばよいのでは？ハイスピードビジョンの動き探索はとても軽量。一番上だけ最新なら結果も最新

current frame

previous frame

previous frame

previous frame

38

Real-Timeで 最も尤もらしい結果を出力するアーキ

39

DNN

Video-In

ME MC

Video-Out

Frame Memory

オーバーサンプリング系は誤差を次のフレーム以降に持ち越せるので多少間違えてもOK

IIRフィルタに帰着できる

Real-Time DNN の時間軸方向活用案

• Real-Time = 時間軸を計算に織り込む

• オーバーサンプリングと変調と量子化

• ⊿Σ変調

• 確率共鳴

• レイテンシ(応答性)を上げる為にスループット(fps)を上げると後者はオーバースペックになる → そこを量子化にまわす

• 高速度カメラは揺らぎを加えるまでもなく元々ノイズが多い。LPF(ローパスフィルタ)通すと積分されて綺麗な絵になる

• サーバーサンプリングするほど強い量子化が可能→ より回路は小さくなり、レイテンシは減少する

• LPFは人間を持って代替できる場合もあるし、IIRとかFIRとかカルマンフィルタとかも可

変調量子化DNN

確率的揺らぎ

LPF

40

深層学習用のハードウェアとしての考察

• Learning用ハードウェアとPredictionハードウェアの関係

• Learning用ハードウェア

• 学習の可能性を極力排除しない余裕を持った演算

• Prediction用ハードウェア

• 実効性能重視(コスト[$/FLOPS], 熱・バッテリー[W/FLOPS])

• LUT-NetworkはPredictionの効率化を狙った新しい技術提案

• 通常Learning用ハードウェアはそのままPredictionもこなせる(上位互換)が、LUT-Networkは異なる

• 正攻法の後者の追及は量子化とSparse化→ LUT-Network は初めからこのボリュームを最大に捻ってスタート

• 学習結果のテーブル化という新しい効率化が本質

• 既存Learning用ハードウェアのアーキテクチャ改善はLUT-Network用のネットの加速にあまり寄与してくれないかも(課題)

41

効率よく学習結果を移行させたい

GPUを使ったLUT-Netの学習に向けて

42B

atc

h N

orm

aliza

tion

Bin

ary

-Ac

tiva

tion

・・・

μMLP１個の学習

global memory

CUDA

(SM)

shared memory (L1)

AVX2 (i7-4770) CUDA(GT 1030) 高速化

μMLP forward 94ms 16ms 5.8倍

μMLP backward 603ms 236ms 2.5倍

Im2Col forward 663ms 15ms 44.2倍

Im2Col backward 498ms 43ms 11.5倍

CUDAのSMのアーキがワーキングセットとしてジャストフィット！

L1メモリ部分を排除してDense Tensorの演算の効率を上げるDNN専用チップより、普通のGPUがLUT-Netの学習には向いている可能性

[少しCUDAも書いて実験]

※ GT1030は論理性能でi7-4770の2倍ぐらい。コーディングの気合の入れ方にそもそもムラが大きい

技術ポイントまとめ(計算機効率)• 演算器個数×クロック周波数以上の演算は出来ない

• CPU/GPUは上限が決まっている

• ASICやFPGAでは演算器に回せるリソース量(トランジスタ数)は設計次第

• 演算器個数を増やすには

• 演算器に使うトランジスタの比率を増やす(制御や記憶のリソースを減らす)

• 専用エンジン(ASIC) ＞ FPGA ≒ GPU > CPU

• 演算器を小さくする(演算密度を上げる)

• テーブル化(LUT-Net) ＜ INT1 (Binary-Net) ＜ INT8 ＜ FP16 ＜ FP32

• 演算器稼働率を上げる(無駄な計算はしない)

• 学習時には多くの可能性が欲しい

• backwardで勾配消失しない十分な精度 → FP16～FP32

• 十分な結合 → 演算できる範囲で密結合

• 推論時には結果に影響する演算だけを効率よくやりたい

• 不要な計算の削除 → 疎結合網

43

今後に向けて• DNNとしての可能性(正攻法)

• Predictionとして

• Sparse性に関する取り組み → 結線最適化どうするか？

• 量子化に対する取り組み → 入力データの特徴を捉えた量子化(傾きなどの活用？)

• Learning系

• GPUを活用した学習環境の強化に対する取り組み→ BinaryBrain Ver3 に向けてまじめな設計を検討着手

• 大規模ネットワークへの挑戦(例えばVGG16ぐらい？)→ GPU化と Google colab など

• Recurrentなどのまだ取り組めていない分野への挑戦

• 信号処理方式としての可能性(オーバーサンプリングの活用)

• オーバーサンプリング×確率事象のDNNによる表現方法

• ⊿Σ的な概念で時間軸も計算に入れて損失関数を考える

• 時間フィルタをネット内に入れ込むことでバイナリに多値性を与えられないか？

• 脳のシナプスの発火には頻度という時間軸の情報もある？(間違ってたらすいません)

44

今後ものんびり楽しくやっていきます！

ご静聴ありがとうございました

45

発表者アクセス先

• 渕上 竜司 (Ryuji Fuchikami)

• e-mail : ryuji.fuchikami@nifty.com

• Web-Site : http://ryuz.my.coocan.jp/

• Blog. : http://ryuz.txt-nifty.com/

• GitHub : https://github.com/ryuz/

• Twitter : https://twitter.com/Ryuz88

• Facebook : https://www.facebook.com/ryuji.fuchikami

• YouTube : https://www.youtube.com/user/nekoneko1024

• レスポンス悪いかもしれませんが、お気軽にお問い合わせください m(_ _)m

46

以下、予備資料

47

LUTモデルの数学的な考察

48

input[n-1:0]

output

入力をn個とすると、テーブル自体がn次元のデータ下記はXORの2次元テーブルを図示したもの

・テーブル値を頂点の値として補完できるし、多値も取れる・入力はテーブルの位置を指すインデックス・誤差逆伝播に対しては

- 入力をテーブルの傾きに応じて答えに近づく方にずらす- テーブル内の値を答えに近づく方に変化させる

・LUTをそのまま誤差逆伝播で学習させることは可能か？

Real-Time DNNしながらFPGAのリリースを使い尽くす

• LUT

• LUT-Networkのレイヤーに利用

• Block-RAM(SRAM)

• 畳み込みのラインバッファ

• DSP(積和演算機)

• 入力の１段目だけ普通の掛け算にする

• 画像を認識する上で多値の勾配などの情報は魅力的

• I/O

• 外界の機器と演算ユニットを直結

• エッジコンピューティングの醍醐味

• 高速シリアル

• 別のエッジと連携

• ロジック規模拡張に複数FPGA

• DDR3/4-SDRAM

• U-Net や RNNのバッファとして

• AIコア(Versal ACAP)

• さてどうするべきか？

49

LUT以外のリソースも使い切ってこそのFPGA活用

リファレンス

• BinaryConnect: Training Deep Neural Networks with binary weights during propagationshttps://arxiv.org/pdf/1511.00363.pdf

• Binarized Neural Networkshttps://arxiv.org/abs/1602.02505

• Binarized Neural Networks: Training Deep Neural Networks with Weights and Activations Constrained to +1 or -1https://arxiv.org/abs/1602.02830

• XNOR-Net: ImageNet Classification Using Binary Convolutional Neural Networkshttps://arxiv.org/abs/1603.05279

• Xilinx UltraScale Architecture Configurable Logic Block User Guidehttps://japan.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug574-ultrascale-clb.pdf

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