电子科技大学电子科学与工程学院 周 航 贺雅娟

近年来，卷积神经网络（CNN）在机器视觉等方面取得了巨大成功。为提升嵌入式设备上运行CNN的速度和能效，本文针对LeNet-5网络模型，先对该网络模型进行感知量化训练，特征图和权重量化为8位整型数据。然后设计一种卷积神经网络加速器系统，该片上系统（SoC）采用Cortex-M3为处理器，所提出的系统处理一张MNIST图像所需时间5.3ms，精度达到98.2%。

CNN已成功应用于图像识别等应用，随着CNN解决更复杂的问题，计算和存储的需求急剧增加。然而，在一些低功耗的边缘计算设备中，功耗是重要指标。目前的研究主要针对CNN推理阶段模型的压缩和量化。大多数设计都用定点计算单元代替浮点单元。ESE采用12位定点权重和16位定点神经元设计，Guo等在嵌入式FPGA上使用8位单元进行设计。但之前的设计主要采用Zynq或者HLS开发，功耗较大。

本文设计了一种基于FPGA的卷积神经网络加速系统。首先，通过感知量化训练的方法，实现了将浮点CNN模型的各层权重和特征图量化成8比特整型；其次，通过采用单层时分复用的方式，设计流水线架构提高数据吞吐率；再次，设计基于Cortex-M3的SoC；最后，采用MNIST手写数字进行方案和功能验证。

1 卷积神经网络

1.1 基本概念

LeNet-5是一个典型的卷积神经网络模型，不包含输入一共有7层。分别为3层卷积层，2层池化层，以及2层全连接层。

1.2 量化原理

针对目前CNN模型较大，参数多且不适合在移动设备上使用，Google团队提出了一种量化方案。该方案在推理过程中使用纯整。……