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Research on Efficient CNN Acceleration Through Mixed Precision Quantization: A Comprehensive Methodology

计算机科学 现场可编程门阵列 卷积神经网络 量化(信号处理) 计算机工程 硬件加速 边缘设备 算法 计算机硬件 并行计算 计算机体系结构 嵌入式系统 人工智能 云计算 操作系统
作者
Yizhi He,Wenlong Liu,Muhammad Tahir,Zhao Li,Shaoshuang Zhang,Hussain Bux Amur
出处
期刊:International Journal of Advanced Computer Science and Applications [The Science and Information Organization]
卷期号:14 (12)
标识
DOI:10.14569/ijacsa.2023.0141282
摘要

To overcome challenges associated with deploying Convolutional Neural Networks (CNNs) on edge computing devices with limited memory and computing resources, we propose a mixed-precision CNN calculation method on a Field Programmable Gate Array (FPGA). This approach involves a collaborative design encompassing both software and hardware aspects. Initially, we devised a CNN quantization method tailored for the fixed-point operation characteristics of FPGA, addressing the computational challenges posed by floating-point parameters. We introduce a bit-width strategy search algorithm that assigns bit-widths to each layer based on CNN loss variation induced by quantization. Through retraining, this strategy mitigates the degradation in CNN inference accuracy. For FPGA acceleration design, we employ a flow processing architecture with multiple Processing Elements (PEs) to support mixed-precision CNNs. Our approach incorporates a folding design method to implement shared PEs between layers, significantly reducing FPGA resource usage. Furthermore, we designed a data reading method, incorporating a register set buffer between memory and processing elements to alleviate issues related to mismatched data reading and computing speeds. Our implementation of the mixed-precision ResNet20 model on the Kintex-7 Eco R2 development board achieves an inference accuracy of 91.68% and a computing speed 4.27 times faster than the Central Processing Unit (CPU) on the CIFAR-10 dataset, with an accuracy drop of only 1.21%. Compared to a unified 16-bit FPGA accelerator design method, our proposed approach demonstrates an 89-fold increase in computing speed while maintaining similar accuracy.

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