一种基于微盘的深度学习光子加速器设计

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近年来,卷积神经网络由于其超高的推理精度被广泛的应用于物体识别,语音处理与机器翻译的任务中。然而,随着卷积神经网络的模型变得越来越复杂,在传统的CPU与GPU器件对网络中具有高额计算开销的卷积操作进行处理面临着巨大的挑战。尽管基于CMOS电路新的深度学习结构正在被广泛的探索,比如:Google的TPU模型,但是它们依然面临着高能耗以及数据通信带宽低的缺点。
  如今,新兴的纳米光电子技术凭借其出色的CMOS兼容性,高带宽与低延迟的特点被广泛的应用于片上的数据通信,并且最近的一些工作也在尝试该技术应用于片上计算中。本文提出了一种基于微盘的光电子卷积神经网络加速器的设计,专门用于卷积神经网络推理过程的加速。不同于一些全光的设计,在本文设计的加速器中,它是将卷积神经网络中复杂的卷积运算与全连接运算放到了可集成的光器件中了,而把其余的一些神经网络操作放到了CMOS电路下进行计算,从而保证了神经网络推理的正确性。本文首先利用微盘谐振器件构建了矩阵向量乘法单元,并基于构建好的矩阵向量乘法器提出了HolyLight-M的结构设计。但是,本文发现片上的模数转换器严重的制约了HolyLight-M在每瓦特下所取得的性能。因此,本文的利用微盘构建出了数字的加法器与移位器单元,并基于该数字单元构建出了新的结构HolyLight-A,从而去除了模数转换器。与目前最先进的基于忆阻器阵列实现的ISAAC加速器相比,HolyLight-A所带来的精度丢失可以忽略不计,但是在每瓦特的峰值性能上提升了25倍。
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