本發(fā)明涉及一種面向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的動(dòng)態(tài)精度可配近似乘法器，屬于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在大量對(duì)操作數(shù)進(jìn)行乘法和累加的計(jì)算，這會(huì)產(chǎn)生較大的功耗及誤差，目前已經(jīng)從算法、軟件、硬件、電路和晶體管級(jí)進(jìn)行了大量的研究。然而，數(shù)字信號(hào)處理、視覺(jué)計(jì)算機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)等新興應(yīng)用有著更高的計(jì)算要求，因此低能耗面臨著新的挑戰(zhàn)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)有限的或不重要的誤差存在一定的容錯(cuò)性。即使錯(cuò)誤產(chǎn)生偏差產(chǎn)生容錯(cuò)性的原因有很多，包括人類意義上的不完美感知、噪聲輸入信號(hào)、輸入數(shù)據(jù)的冗余和缺乏通用的最佳答案。

這種容錯(cuò)性可以通過(guò)近似計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，這將在很大程度上降低功耗和算術(shù)復(fù)雜度。目前已經(jīng)在軟件和硬件層面的近似計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，其中在軟件層面，曾提出循環(huán)穿孔技術(shù)，即在計(jì)算過(guò)程中，跳過(guò)多次循環(huán)迭代，執(zhí)行初始的計(jì)算子集，從而節(jié)省時(shí)間和降低功耗，但是產(chǎn)生的輸出誤差較大。在硬件層面的近似計(jì)算主要針對(duì)算術(shù)單元，應(yīng)用較多的是截?cái)嗉夹g(shù)和簡(jiǎn)化單位邏輯復(fù)雜性，但事實(shí)證明這兩種方法都存在一定的誤差且產(chǎn)生的結(jié)果不可靠。

由于乘法是計(jì)算過(guò)程中一個(gè)必要的算術(shù)運(yùn)算，并且隨著乘法器的重復(fù)使用，誤差會(huì)彼此抵消而不累加，因此我們致力于提出一個(gè)新的近似乘法器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的功耗過(guò)大問(wèn)題，本發(fā)明提供一種面向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)精度可配近似乘法器，不僅可以降低計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜度和時(shí)間，同時(shí)減少功耗且不影響計(jì)算精度。

技術(shù)方案：一種面向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的動(dòng)態(tài)精度可配近似乘法器，該動(dòng)態(tài)精度可配近似乘法器在外部控制信號(hào)的控制下，根據(jù)數(shù)據(jù)的輸入特性實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的精度動(dòng)態(tài)配置，并給出精確結(jié)果的近似結(jié)果。所述乘法器包括乘法近似計(jì)算模塊和乘法器動(dòng)態(tài)配置模塊；

其中，所述乘法近似計(jì)算模塊，用于實(shí)現(xiàn)乘法的近似計(jì)算，操作數(shù)a和b的位寬均為n，經(jīng)過(guò)乘法近似計(jì)算模塊，得到近似計(jì)算結(jié)果r，其位寬為2n，乘法近似計(jì)算模塊包括算術(shù)邏輯和轉(zhuǎn)向控制邏輯。

算術(shù)邏輯是計(jì)算模塊中的核心，在調(diào)節(jié)信號(hào)的控制下，算術(shù)邏輯進(jìn)行可配的計(jì)算。其輸入是操作數(shù)a、b截取后的k位部分和控制信號(hào)[k，l，m]，輸出是2k位近似計(jì)算結(jié)果。算術(shù)邏輯包括一個(gè)控制信號(hào)譯碼器和一個(gè)k位精確乘法器。

控制信號(hào)譯碼器是根據(jù)動(dòng)態(tài)配置模塊所提供的控制信號(hào)[k，l，m]進(jìn)行譯碼，并根據(jù)控制信號(hào)決定部分積累加陣列中那些加法器被選中正常工作，那些加法器未被選中而停止工作。

k位精確乘法器既可以對(duì)未配置的操作數(shù)進(jìn)行精確的乘法運(yùn)算，也可以對(duì)配置后的操作數(shù)進(jìn)行近似乘法計(jì)算且結(jié)果在可接受的錯(cuò)誤范圍內(nèi)，其配置信息是控制信號(hào)譯碼器進(jìn)行譯碼后的信號(hào)。對(duì)于停止工作的加法器可以丟棄，從而實(shí)現(xiàn)快速的近似計(jì)算。

轉(zhuǎn)向控制邏輯主要對(duì)輸入操作數(shù)的預(yù)處理和中間結(jié)果的后處理。包括非零最高位探測(cè)器、編碼器、多路復(fù)用選擇器、移位控制信號(hào)生成器和桶形移位器。

其中，非零最高位探測(cè)器的用于探測(cè)操作數(shù)a和b的非零最高位即‘1’的位置并輸出該位索引；

編碼器通過(guò)非零最高位的索引和參數(shù)k進(jìn)行編碼，生成控制信號(hào)，并發(fā)送到多路復(fù)用選擇器；

多路復(fù)用選擇器接收編碼器產(chǎn)生的控制信號(hào)，將原始n位操作數(shù)a、b中選中的k位送到計(jì)算邏輯中；

移位控制信號(hào)生成器根據(jù)兩個(gè)原始n位操作數(shù)經(jīng)截取后丟棄部分的位數(shù)和生成移位控制信號(hào)，之后由桶形移位器對(duì)計(jì)算邏輯產(chǎn)生的中間結(jié)果后處理。

桶形移位器的后處理主要是對(duì)計(jì)算邏輯的中間結(jié)果進(jìn)行移位操作，移位的位數(shù)由移位控制信號(hào)生成器所產(chǎn)生的控制信號(hào)決定。如果非零最高位索引的值小于參數(shù)k，則數(shù)據(jù)將不經(jīng)過(guò)編碼器和多路復(fù)用選擇器，而是直接送入算術(shù)邏輯。

所述乘法器動(dòng)態(tài)配置模塊，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)近似乘法計(jì)算的速度和精度，輸入是操作數(shù)a、b及外部控制信號(hào)，操作數(shù)a、b需進(jìn)行預(yù)處理，輸出控制信號(hào)[k，l，m]，其中k表示需對(duì)操作數(shù)a、b截取的位寬，l表示截取后的乘數(shù)b的起始位索引，m表示截取后的乘數(shù)b的第l位起到l+m位被選中。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種面向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)精度可配近似乘法器的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：

(1)接收兩個(gè)n位的乘法器操作數(shù)、外部的控制信號(hào)以及參數(shù)k；

(2)非零最高位檢測(cè)器分別對(duì)步驟(1)中接收到的兩個(gè)操作數(shù)的非零最高位所在的位置進(jìn)項(xiàng)探測(cè)，并輸出非零最高位的索引位置；

(3)分別判斷兩個(gè)操作數(shù)的非零最高位的索引是否大于參數(shù)k。如果大于參數(shù)k，轉(zhuǎn)到步驟(4)，如果小于參數(shù)k，轉(zhuǎn)到步驟(5)；

(4)編碼器根據(jù)非零最高位的索引以及參數(shù)k進(jìn)行編碼產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息，用于控制多苦復(fù)用選擇器選擇所需要的數(shù)據(jù)，并把該控制信號(hào)傳遞給多路復(fù)用選擇器；

(5)多路復(fù)用選擇器直接根據(jù)步驟(3)的非零最高位的索引或者步驟(4)中編碼器產(chǎn)生的控制信號(hào)，從步驟(1)中接收的的兩個(gè)原始的操作數(shù)中選擇所需的數(shù)據(jù)，并傳入到計(jì)算邏輯；

(6)在進(jìn)行步驟(3)的同時(shí)，根據(jù)步驟(2)非零最高位的索引以及外部控制信號(hào)和參數(shù)k等，生成相應(yīng)的配置信息[k，l，m]，這些配置信息用于控制計(jì)算邏輯中的累加陣列的累加器是否需要工作；

(7)計(jì)算邏輯根據(jù)配信息[k，l，m]，對(duì)計(jì)算邏輯的累加陣列進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，決定哪些加法器需要處于工作狀態(tài)，哪些加法器處于靜止?fàn)顟B(tài)，以實(shí)現(xiàn)快速高效的近似計(jì)算；

(8)在進(jìn)行步驟(5)的同時(shí)，移位控制信號(hào)生成器，根據(jù)步驟(4)的編碼器提供的控制信息生成移位控制信號(hào)，該信號(hào)用于指導(dǎo)桶形移位器進(jìn)行移位操作；

(9)桶形移位器在移位控制信號(hào)的控制下，對(duì)中間結(jié)果進(jìn)行移位操作，得到最終的結(jié)果。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可行性好，減小計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間，從而降低功耗，且所得結(jié)果精度高誤差小。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的動(dòng)態(tài)可配近似乘法器工作流程示意圖；

圖2為本發(fā)明的動(dòng)態(tài)可配近似乘法器的整體示意圖；

圖3為本發(fā)明的乘法近似計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的乘法器動(dòng)態(tài)配置模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的數(shù)據(jù)預(yù)處理原理示意圖；

圖6為本發(fā)明的動(dòng)態(tài)可配近似乘法器工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1-2所示，動(dòng)態(tài)精度可配近似乘法器在外部控制信號(hào)的控制下，根據(jù)數(shù)據(jù)的輸入特性實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的精度動(dòng)態(tài)配置，并給出精確結(jié)果的近似結(jié)果。近似可配的乘法器主要包括動(dòng)態(tài)配置模塊、乘法近似計(jì)算模塊。所述乘法近似計(jì)算模塊，用于實(shí)現(xiàn)乘法的近似計(jì)算，操作數(shù)a和b的位寬均為n，經(jīng)過(guò)乘法近似計(jì)算模塊，得到近似計(jì)算結(jié)果r，其位寬為2n，乘法近似計(jì)算模塊包括算術(shù)邏輯和轉(zhuǎn)向控制邏輯。

算術(shù)邏輯是計(jì)算模塊中的核心，在調(diào)節(jié)信號(hào)的控制下，算術(shù)邏輯進(jìn)行可配的計(jì)算。其輸入是操作數(shù)a、b截取后的k位部分和控制信號(hào)[k，l，m]，輸出是2k位近似計(jì)算結(jié)果。算數(shù)邏輯主要包含一個(gè)k位精確乘法器和一個(gè)控制信號(hào)譯碼器?？刂菩盘?hào)譯碼器是根據(jù)動(dòng)態(tài)配置模塊所提供的控制信號(hào)[k，l，m]進(jìn)行譯碼，并根據(jù)控制信號(hào)決定部分積累加陣列中那些加法器被選中正常工作，那些加法器未被選中而停止工作。

k位精確乘法器既可以對(duì)未配置的操作數(shù)進(jìn)行精確的乘法運(yùn)算，也可以對(duì)配置后的操作數(shù)進(jìn)行近似乘法計(jì)算且結(jié)果在可接受的錯(cuò)誤范圍內(nèi)，其配置信息是控制信號(hào)譯碼器進(jìn)行譯碼后的信號(hào)。對(duì)于停止工作的加法器可以丟棄，從而實(shí)現(xiàn)快速的近似計(jì)算。

轉(zhuǎn)向控制邏輯主要對(duì)輸入操作數(shù)的預(yù)處理和中間結(jié)果的后處理。如圖3所示，轉(zhuǎn)向邏輯包括非零最高位探測(cè)器、編碼器、多路復(fù)用選擇器、移位控制信號(hào)生成器、桶形移位器。

其中，非零最高位探測(cè)器的用于探測(cè)操作數(shù)a和b的非零最高位即‘1’的位置并輸出該位索引；

編碼器通過(guò)非零最高位的索引和參數(shù)k進(jìn)行編碼，生成控制信號(hào)，并發(fā)送到多路復(fù)用選擇器；

多路復(fù)用選擇器接收編碼器產(chǎn)生的控制信號(hào)，將原始n位操作數(shù)a、b中選中的k位送到計(jì)算邏輯中；

移位控制信號(hào)生成器根據(jù)兩個(gè)原始n位操作數(shù)經(jīng)截取后丟棄部分的位數(shù)和生成移位控制信號(hào)，之后由桶形移位器對(duì)計(jì)算邏輯產(chǎn)生的中間結(jié)果后處理。

桶形移位器的后處理主要是對(duì)計(jì)算邏輯的中間結(jié)果進(jìn)行移位操作，移位的位數(shù)由移位控制信號(hào)生成器所產(chǎn)生的控制信號(hào)決定。如果非零最高位索引的值小于參數(shù)k，則數(shù)據(jù)將不經(jīng)過(guò)編碼器和多路復(fù)用選擇器，而是直接送入算術(shù)邏輯。

所述乘法器動(dòng)態(tài)配置模塊，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)近似乘法計(jì)算的速度和精度，輸入是操作數(shù)a、b及外部控制信號(hào)，操作數(shù)a、b需進(jìn)行預(yù)處理，輸出控制信號(hào)[k，l，m]，其中k表示需對(duì)操作數(shù)a、b截取的位寬，l表示截取后的乘數(shù)b的起始位索引，m表示截取后的乘數(shù)b的第l位起到l+m位被選中。所有部件之間相互配合，共同完成乘法近似計(jì)算，包括如下步驟：

(1)輸入操作數(shù)a、b的位寬均為n，由非零最高位探測(cè)器測(cè)得到兩個(gè)操作數(shù)的非零最高位有效數(shù)字‘1’，將其所在位置記為t，0≤t≤n-1，定義k值，其指定在核心精確乘法器中使用的帶寬；

(2)分別選中操作數(shù)a、b索引(t-k+1)處的數(shù)字，不管其原始數(shù)位高位還是低位，都將其設(shè)置為高位‘1’，并將索引(t-k)至索引0之間的數(shù)據(jù)全部設(shè)置為低位‘0’，即得到原始操作數(shù)a、b的近似值；

(3)將得到的近似參數(shù)a、b在索引(t-k+1)后的數(shù)據(jù)‘0’截?cái)鄟G棄，從而得到預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，并將所得數(shù)據(jù)送入計(jì)算邏輯中；

(4)將得到的k位近似數(shù)a、b進(jìn)行乘法運(yùn)算，其中，計(jì)算結(jié)果由以下公式得到：

即進(jìn)行積累加，其中bi為b的第i位數(shù)值；

(5)由(2)可得操作數(shù)a、b所截?cái)鄟G棄的位數(shù)和，即(t1-k+1+t2-k+1)位，將(4)中得到的結(jié)果向左移動(dòng)(t1-k+t2-k+2)位，即補(bǔ)低位‘0’，即可得到最終近似結(jié)果。

如圖5所示，輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；在外部的控制信號(hào)的控制下，根據(jù)數(shù)據(jù)的輸入特性實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的動(dòng)態(tài)配置并給出精確結(jié)果的近似結(jié)果，包括以下步驟：

(1)探測(cè)乘法器輸入數(shù)據(jù)的非零最高位的索引，動(dòng)態(tài)地定位兩個(gè)操作數(shù)中的每一個(gè)中的最高有效'1'的位置；

(2)對(duì)于每個(gè)操作數(shù)，然后使用最高有效位'1'來(lái)基于所需的精度選擇以下k-2個(gè)連續(xù)數(shù)量的位；k是設(shè)計(jì)者定義的值，其指定在核心精確乘法器中使用的帶寬；

(3)如果在索引t處探測(cè)到前導(dǎo)，其中0≤t≤n-1，則后面的t-k+2個(gè)較低比特的值保持不變，位于t-k+1處的值無(wú)論之前是否為1，都用1近似代替后面的數(shù)字，對(duì)于索引t-k到索引0之間的數(shù)據(jù)全部置0；

(4)把兩個(gè)操作數(shù)最后的t-k位進(jìn)行截?cái)鄟G棄，得到預(yù)處理后所得數(shù)據(jù)，之后把該數(shù)據(jù)送入計(jì)算邏輯。

根據(jù)預(yù)處理的過(guò)程：

(1)根據(jù)非零最高位探測(cè)器提供的非零最高位的索引判斷兩個(gè)數(shù)據(jù)的位寬和相對(duì)大??；

(2)根據(jù)兩個(gè)數(shù)據(jù)的位寬和數(shù)據(jù)相對(duì)大小決定丟棄哪些部分積。此外，該近似乘法器還可以根據(jù)乘法器外部控制信號(hào)進(jìn)行近似度調(diào)節(jié)；

(3)根據(jù)譯碼器對(duì)編碼后的控制信號(hào)進(jìn)行解碼，選擇需要保留的部分積并進(jìn)行累加運(yùn)算；

(4)把兩個(gè)乘數(shù)舍棄掉的位數(shù)相加之和作為桶形移位器所要移動(dòng)的位數(shù)，然后進(jìn)行移位得到近似的計(jì)算結(jié)果；

(5)改近似乘法器是運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)，每次進(jìn)行乘法運(yùn)算是都根據(jù)所需要的信號(hào)靈活控制乘法器運(yùn)行速度和精度。

舉例說(shuō)明

操作數(shù)a＝001010001，操作數(shù)b＝000110010，n＝9，取k＝5，則探測(cè)到操作數(shù)a的非零最高位索引t1＝6，操作數(shù)b的非零最高位索引t2＝5，將t-k+1處的數(shù)字轉(zhuǎn)換為高位‘1’，得到a＝001010101，b＝000110010；t-k+1后的數(shù)字為‘0’，a＝001010100，b＝000110010；取k位，a’＝10101，b’＝11001，a’*b’＝1000001101，將乘積所得值向左移動(dòng)3位，可得近似結(jié)果1000001101000，由a*b＝0111111010010，誤差很小，可近似忽略。