计算机工程与应用 ›› 2023, Vol. 59 ›› Issue (18): 74-83.DOI: 10.3778/j.issn.1002-8331.2212-0011
钱佳明,娄文启,宫磊,王超,周学海
QIAN Jiaming, LOU Wenqi, GONG Lei, WANG Chao, ZHOU Xuehai
摘要: 近年来,三维卷积神经网络(3D-CNN)在计算机视频分类领域的优异表现使其受到了广泛关注。然而,相比于2D-CNN,3D-CNN显著增大的计算、存储需求不可避免地带来了部署时的性能与能效问题,严重限制了其在硬件资源受限场景下的适用性。为了应对该挑战,提出了一种面向3D-CNN高效部署的算法-硬件协同设计与优化方法3D FCirCNN。在算法优化层面,首次使用分块循环矩阵对3D-CNN进行压缩并且进一步通过快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)进行加速,在保证模型规则性的前提下显著降低了模型的计算和存储开销。在此基础上,引入了频域内的激活、批归一化以及池化操作,通过实现全频域推理有效消除了由于FFT所带来的时域/频域切换开销。在硬件设计层面,为分块循环矩阵压缩后的3D-CNN设计了一个专用的硬件加速架构,并作出了一系列面向硬件资源和内存带宽的优化。在Xilinx ZCU102 FPGA上的实验表明,相较于以往最先进的工作,3D FCirCNN在可接受的精度损失范围内(<2%)取得了16.68倍的性能提升和16.18倍的计算效率提升。