Yapay sinir ağlarının uyarlanabilir donanımsal yapılarda gerçeklenmesi

Abstract

Yapay Sinir Ağları (YSA'lar), biyolojik sinir sistemine dayalı elektronik modellerdir. YSA'lar girişlerden gelen verileri işleyen birbirine bağlı yapay nöronlardan oluşmaktadır. Bu mimariler, yazılım ya da donanım olarak gerçekleştirilebilirler. YSA'nın yazılım uygulamasının avantajı, tasarımcının YSA bileşenlerinin iç işleyişini bilmesine gerek olmamasıdır. Bununla birlikte, gerçek zamanlı uygulamalarda, yazılım tabanlı YSA'lar donanım tabanlı YSA'lardan daha yavaştır. YSA hesaplamaları paralel olarak gerçekleştirilmektedir ve paralel işlem için özel donanım aygıtları gereklidir. Birçok alandan araştırmacılar optimizasyon, sınıflandırma, kontrol, görüntü işleme vb. problemlerin çözümü için YSA donanım uygulamaları gerçekleştirmişlerdir. Bu uygulamalar, YSA'ların paralel doğasından yararlanmak için farklı türde cihazlar üzerinde gerçekleştirilmiştir. YSA'nın FPGA uygulamaları, yeniden yapılandırılabilir yapısı ve paralel mimarisi nedeniyle son yirmi yılda büyük ilgi uyandırmıştır. Bu tez çalışmasında, Quartus II şematik tasarım kullanılarak eğitilebilir çok katmanlı sinir ağı (MLNN) yapısının donanım uygulaması FPGA üzerinde tamamen kombinasyonel mantık olarak gerçekleştirilmiştir. Yapay sinir ağını eğitmek için eğim düşüm metodunu kullanan geri yayılım algoritması uygulanmıştır. Nümerik tanımlama için IEEE tek-hassasiyetli kayan-noktalı format kullanılmıştır. Bu çalışma aynı zamanda IEEE tek-hassasiyetli kayan-noktalı format ile tam uyumlu hızlı bir kayan noktalı toplayıcı, bir paralel çarpıcı ve bir sigmoid aktivasyon fonksiyonu bloğunu sunmaktadır. İşlemleri paralel olarak gerçekleştiren toplayıcı, paralel çarpıcı ve aktivasyon fonksiyonu bloğu tamamen kombinasyonel mantık olarak tasarlanmıştır. Bu yeni tasarımda, gecikmeyi azaltmak için kaydırma işlemlerinde kaydırmalı yazmaçlar yerine üç-durumlu tampon serileri kullanılmıştır. Üç-durumlu tampon serileri kullanıldığından kaydırma işlemi için saat darbesi gerekli değildir ve böylece sonuç tek bir çevrimde üretilir. Sadece kapı gecikmesi maliyetli önerilen tasarım, YSA'nın donanım uygulamaları için uygundur.

Artificial Neural Networks (ANNs) are electronic models based on biological nervous system. ANNs are made up of interconnected artificial neurons which can process values from inputs. These architectures can be implemented either in software or in hardware. The advantage of the software implementation of ANN is that the designer does not need to know the inner workings of ANN components. However, in real time applications, software based ANNs are slower than hardware based ANNs. ANN computations are carried out in parallel and special hardware devices are required for parallel processing. Researchers from many disciplines have been performing ANN hardware implementations to solve a variety of problems in optimization, classification, control, image processing etc. These applications have been performed on different types of devices to take advantage of the parallel nature inherent to ANNs. FPGA implementations of ANN have aroused great interest during the last two decades due to its reconfigurable structure and parallel architecture. In this thesis, hardware implementation of trainable Multi Layer Neural Network (MLNN) structure on FPGA (Field Programmable Gate Array) is realized as entirely combinational logic by using Quartus II schematic design. The back propagation algortihm, which uses gradient descent metod is implemented in order to train the neural network. IEEE single-precision floating-point format is used for numerical description. This study also presents the hardware designs of a fast floating point adder, a parallel multiplier and a sigmoid activation function block that are fully compliant with the IEEE single-precision floating-point format. The adder, parallel multiplier and the activation function block are designed as entirely combinational logic that perform operations in parallel. In this novel design, tri state buffer series are used for shifting operations instead of shift registers for reducing latency. Because the use of tri-state buffer series, clock pulse is not required for shifting and thus the result is generated in only a single clock-cycle. The proposed design is suitable for hardware implementation of ANN at the cost of gate delays only.