关键词： 卷积神经网络   专用集成电路   乘累加矩阵   Booth算法   Wallace Tree  

摘要： 随着人工智能的迅猛发展,卷积神经网络(CNN)算法已经广泛应用于日常生活中,CNN算法的不断发展,模型复杂度不断提升,对计算、存储和访存带宽等方面的需求也随之增加。设计专用加速电路对CNN进行加速尤为重要。卷积运算是CNN算法的核心,在硬件实现中乘累加矩阵是实现卷积运算的基本运算模块,是卷积加速单元的最重要的组成部分,根据卷积运算的数据流特点,对Booth乘法器的电路结构以及数据的复用机制进行了深入研究,提出了一种基于输入输出寄存器复用的低功耗卷积神经网络加速单元架构。主要研究内容如下: 1、在分析卷积神经网络数据流的基础上,设计了一种特定数据流下的低功耗Booth乘法器,以乘累加矩阵中的单个乘法器为研究对象,深入分析了基-4以及基-16编码的Booth乘法器的结构特点,并对不同的编码方式的乘法器进行了电路实现以及功耗测试。经过对比选择在特定的CNN数据流下组合逻辑部分功耗最低的基-16Booth编码方式来实现卷积神经网络乘累加矩阵中的单个乘法器。 2、在对乘累加矩阵单个乘法器优化的基础上,提出了一种输入输出寄存器的复用机制。将一个输入通道寄存器复用到32个输出通道上,设计了一个规模为32×32的乘累加矩阵,在产生单个输出通道的结果时需要对32个输入通道的乘法器计算的部分积进行累加,为了提升乘累加矩阵的性能,设计了 Wallace压缩树来减小逻辑延迟,该压缩树将基-16Booth乘法器产生的部分积分为高八位以及低八位在压缩树中分别进行压缩并最终在累加模块中进行求和,并将结果通过输出通道间复用的寄存器进行输出,由此降低了乘累加计算单元的逻辑延迟提升了该乘累加矩阵性能。使用输入输出寄存器复用机制该乘累加矩阵的8bit寄存器数量由2048个减少到了 1057个,有效的减少了寄存器的数量,降低了功耗。 3、为了提高基于输入输出寄存器复用机制的卷积神经网络计算单元的效率,对乘累加矩阵的片上存储结构以及控制机制进行研究,设计了使用指令控制的控制方法,根据卷积神经网络数据流的特点设计了数据搬移、卷积、部分积累加和中间数据存储的运算指令,以最大程度的发挥该乘累加矩阵的计算性能,有效的提高了乘累加单元的计算效率。并使用Python建立的仿真验证平台对该低功耗卷积神经网络加速单元的功能进行了验证。 综上所述,本文实现了一个卷积神经网络加速单元,该设计采用SMIC40nm工艺库完成逻辑综合,并使用PT-PX工具进行了功耗评估,该加速器在计算Resnet-18的卷积块Block2时能效比达到了 3.36TOPS/W,具有较高的能效比,与当前的其他加速器相比具有一定的优势。

关键词： Zoom ADC   增量型ADC   自给时钟   动态放大器   低功耗  

摘要： 随着“智能化”的不断发展和迭代,对智能传感器的性能不断发起挑战,由于智能传感器输入信号频率较低的特点及多路复用的需求,增量型ADC逐渐成为智能传感器的首选。在特定应用场合下,有的信号具有突发性并且伴随着较长的静息期,系统通常只关心超出阈值的信号,即事件驱动。本文针对以上应用场合,设计了一款不需要外部时钟源的低功耗增量型自给时钟Zoom ADC,适用于事件驱动的智能传感器领域。 本文首先对Zoom ADC相关的基础理论进行了介绍,内容以其内部包含的SAR ADC和Sigma Delta调制器的工作原理为主。在系统层面使用了Matlab进行系统级建模,验证了架构的正确性,对实际电路中会遇到的非理想因素进行了分析,根据分析所建立的非理想模型验证了设计目标的可行性。在Cadence中完成了模拟部分的晶体管级设计,使用Verilog代码进行了数字部分的设计,并对整个结构进行了仿真验证。 本文采用了6位SAR ADC进行粗量化,使用2阶增量型Sigma Delta调制器进行精细量化,根据SAR ADC的输出结果对Sigma Delta调制器的参考电压进行选择,并按照引入缩放因子的思路对反馈DAC进行了冗余设计,确保了电路的流畅运行。通过对动态放大器结构的设计,实现了ADC的自给时钟,不再需要外部的时钟源并解决了使用外部时钟造成的时间冗余问题。电路中使用DEM技术对多位反馈DAC可能引入的非线性进行了数字算法的矫正优化。在Sigma Delta调制器内部使用了动态放大器和比较器,使调制器电路几乎没有静态电流,大大降低了功耗。在第一级积分器处使用了斩波调制技术,对放大器所引入的失调电压及低频噪声进行了有效抑制。针对增量型调制器进行了数字滤波器的设计和实现,在得到输入信号数字估计的同时对高频噪声进行了抑制。 本文最终通过65nm CMOS工艺在1V电源电压的条件下实现了低功耗增量型自给时钟Zoom ADC的设计,通过仿真验证,模拟部分仅仅使用了5.72μW的功耗,最终信噪失真比达到了88dB,有效位数达到了14.42位,实现了预期的性能指标。完成了版图的绘制,并对采用Verilog代码设计的数字电路进行了逻辑综合和自动布局布线。

关键词： 物联网   反向散射通信   低功耗蓝牙   无线通信系统  

摘要： 在提出要提升新质生产力的时代背景下,物联网技术的快速发展和大规模应用,极大方便了人们的生活,提高了企业生产的效率。但是传统的物联网通信技术面临功耗高,成本昂贵,部署困难和缺乏有效通信机制的问题。本文提出了一种反向散射通信技术,可以实现超低功耗甚至近零功耗的无线通信,并且基于蓝牙协议,不需要专用的接收器,就可以兼容市面上大量的蓝牙设备,如智能手机、电脑和可穿戴设备等。这种反向散射通信技术面向于体域网医疗健康检测领域的应用场景,有效解决了上述传统物联网通信技术的问题。本文的主要内容如下: (1)本文介绍了低功耗蓝牙协议,包括蓝牙的调制方式,信道频域分布和广播包结构。研究了反向散射技术,其是利用环境中现有的射频信号,通过改变天线的负载阻抗来调制并反射这些射频信号,从而实现信息的传递。采用了蓝牙反向散射通信系统的架构,并详细阐述了对其中交叉耦合振荡器,开关混频器和阻抗匹配的研究过程。 (2)关键电路设计仿真和实现。系统主要由射频信号源、蓝牙反向散射标签和接收器组成。射频信号源利用矢量信号发生器发射2.4075GHz的射频信号作为环境中的载波信号。蓝牙反向散射标签通过交叉耦合振荡器模块和ADG918射频开关模块将基带信号通过副载波频率调制的方式调制到射频信号上,反射生成符合蓝牙协议广播37信道频域的信号,基带信号使用FPGA开发平台按照蓝牙协议恢复生成。接收器使用市面上可购买的CC2540 USB-Dongle蓝牙抓包工具来接收和解析反向散射信号。 (3)测试系统性能。通过实验测试,本文验证了所提出的系统在通信距离和功耗方面均能满足体域网的应用需求。本文还对标签的部署位置进行了探讨,在射频源发送载波信号功率为-16d Bm且标签靠近射频源的条件下通信距离可以达到2.7m。同时在蓝牙1Mbps的数据速率下,反向散射标签的关键调制电路能耗仅为1.24n J/bit,远低于其他传统的无线通信技术。

摘要： This study is aimed at giving insight into the design and benefits of multi-threading in compilers. As the physical limitation of transistors draws near, multi-core processors with parallel execution and multi-threading is the current answer to continuing improving the speed of today's computers. Utilizing multiple threads in compilers for enhanced high performance is one key to a fast and iterative development *** main objectives of this thesis include the construction of a compiler with a single-threaded and a multi-threaded version, the design of a novel programming language, and a performance evaluation of the *** problems were addressed using an iterative process where we began with the language design, then the compiler implementation while ensuring the design and implementation aligned with the initial objectives. We proceeded with evaluating performance when all parts functioned *** results indicate a faster compilation speed by a factor of 4.79 when using multiple threads compared to a single thread.

关键词： 多线程   三维激光扫描   坐标及格式转换  

摘要： 利用架站式扫描、车载激光扫描和机载LiDAR激光扫描等不同方式采集点云数据时，获取的点云数据坐标及格式因采集设备的不同而不尽相同。为了使点云更便捷地运用于项目生产与数据共享，提出了一种对通用格式(LAS)点云进行多线程坐标及格式转换的方法，解决了点云坐标系不同导致的共享处理瓶颈，实现了点云坐标系及目标文件格式的统一；基于多线程技术进行转换，实现了文件批量转换，提高了数据处理效率。实际测试结果表明：所提出的方法，有效节约数据处理时间，解决数据交换时坐标与格式壁垒，满足不同项目生产需求，为点云数据的生产、共享交换和存档入库提供便利。

关键词： 多线程   C语言   并行化  

摘要： 本文研究了基于多线程技术的C语言程序并行化改造策略。首先从C语言单线程程序的性能问题入手展开分析，找出其中的瓶颈部分，为并行化改造提供依据。随后分析多线程技术的特点，确定哪些部分是可并行化的，从包括任务划分与线程分配、数据结构与算法并行化优化等在内的几方面制定合理的并行化改造策略。本文旨在为C语言程序的并行化改造提供一种有效的策略和方法，以提高程序的执行效率和性能。