Применение процессоров общего назначения для построения нейросред

Это наиболее распространенная в настоящее время платформа для построения нейросистем, большинство из которых реализовано в виде программных комплексов (без особых средств аппаратной поддержки). Нейросетевые приложения в основном работают на рабочих станциях, являясь частью автоматизированных рабочих мест, а также самостоятельными средствами анализа.

Популярность такого подхода объясняется простотой программной реализации нейросети. Реализация нейроалгоритмов на рабочих станциях осуществляется средствами очень высокого уровня. Имеются библиотеки к распространеннным языкам высокого уровня, реализующие разнообразные функции, используемые в нейроприложениях, разработаны расширения объектно-ориентированных языков, которые позволяют оперировать с нейросетями на уровне объектов. Разработаны визуальные средства разработки нейроприложений, для пользования которыми даже не обязательны специальные навыки программирования. Эти средства содержат множество типовых решений и удобный графический интерфейс, позволяющий производить настройку на конкретную задачу. Полученное решение в большинстве случаев удовлетворяет пользователя по своим характеристикам.

Широкое применение нейросетей в архитектурах общего назначения также объясняется постоянным ростом производительности в этой области. Нейроалгоритмы относятся к ресурсоемким задачам, но современный уровень производительности рабочих станций позволяет для большинства задач получать приемлемые по скорости решения даже без особых процедур оптимизации. Кроме того распространенные сегодня процессоры имеют специальные расширения (нацеленные на мультимедиа приложения), которые позволяют ускорить обработку нейроалгоритмов. В частности, в архитектуру команд вводятся SIMD-инструкции, команды умножения с накоплением, возможности оперирования с упакованными данными малой разрядности. Причем этот процесс продолжается.

К сожалению процессоры общего назначения мало подходят для создания промышленных устройств в силу своей архитектурной избыточности. Тем не менее разработано множество нейроускорителей на этой базе, но они не имеют особых преимуществ перед другими подходами.

Достоинства процессоров общего назначения:

• · Высокий темп роста производительности;
• · Наличие средств высокого уровня;
• · Совместимость с прошлыми наработками;
• · Возможность интеграции нейроприложений с другими програмными средствами;
• · Большой объем доступной памяти.

Недостатки процессоров общего назначения:

• · Аппаратная избыточность, ведущая к недоиспользованию ресурсов;
• · Малая пригодность к созданию дешевых промышленно применимых устройств, а также автономных и мобильных систем;
• · Сложность построения масштабируемых, многопроцессорных систем;

Применение DSP для построения нейросред Цифровые сигнальные процессоры в настоящее время наиболее часто применяются для реализации нейросетевых сред. Причин для такого положения дел несколько:

• 1. Низкая стоимость оборудования. Рынок DSP сложился уже достаточно давно, отработаны технологии производства и сбыта продукции, действует весьма жесткая конкуренция. Это означает постоянное снижение цен на DSP при улучшении их характеристик. Кроме того, для DSP не нужно дорогостоящее окружение (система ввода/вывода, система внешней памяти, система синхронизации и т. д.).
• 2. Низкая стоимость разработки. Производители DSP сопровождают свои системы развитыми средствами разработки и отладки. Для многих систем разработаны компиляторы языка C, эмуляторы, средства внутрисистемной отладки и программирования. Уже наработан большой объем готовых процедур для наиболее часто встречающихся задач.
• 3. Универсальность и гибкость. DSP не накладывают особо жестких ограничений на вид реализуемой нейросети, разработчик может построить сеть практически любой топологии и размеров, подключение внешней памяти позволяет при желании увеличить число нейронов и слоев. Так как в DSP-системах реализация нейронной сети идет на программном уровне, то нет ограничений на алгоритм работы сети и ее обучения. Если возникает необходимость внести изменения в работу готового устройства, то в большинстве случаев это может быть сделано ценой малых усилий.
• 4. Малое энергопотребление и тепловыделение. В настоящее время нейронные сети все чаще применяются в промышленности для создания сложных датчиков и организации систем управления, в бортовых и переносных радиолокационных и измерительных устройствах и системах связи. Реализуются нейросистемы для автоматического наблюдения за транспортными потоками, то есть все чаще возникает задача построения промышленно применимой, компактной, автономной нейросистемы. В подобного рода задачах очень большое значение имеет низкое потребление энергии и малое тепловыделение конструируемого устройства, а в этой области у DSP есть большие преимущества. Например, энергопотребление DSP компании Analog Devices семейства SHARC составляет 1.5Вт при напряжении 3.3 В, а у чипов C6201 компании Texas Instruments — 7Вт при 2.5 В.

DSP-процессоры в нейросистемах могут выполнять две функции: реализацию самой нейронной сети или реализацию контура логики общесистемного управления нейрокомпьютера.

Для реализации нейросреды может быть использован практически любой DSP, но наибольшее распространение получили семейство DSP TMS320C6xx компании Texas Instruments с фирменной архитектурой VelociTI и ADSP2106x компании Analog Devices с архитектурой SHARC. Эти цифровые сигнальные процессоры обладают достаточной производительностью для обработки сигналов в реальном времени, они ориентированы на использование в мультимикропроцессорных системах.

Рассмотрим архитектуру этих DSP с позиции применимости для построения сложных нейросистем.

DSP фирмы Analog Devices.

Рис. 4 Блоки ADSP-21 161

Семейство цифровых сигнальных микропроцессоров ADSP-2116x является наиболее совершенным, тактовой частота этих микропроцессоров повышена до 100 МГц, что позволило увеличить производительность до 600 MFLOPS. Рассмотрим архитектуру этого семейства на примере ADSP-21 161, его основные функциональные блоки показаны на рис. 4.