Автоматизоване проєктування штучного нейрона для програмова-них логічних інтегральних схем на основі алгебро-алгоритмічного підходу

Abstract

Нейромережеві системи керування є високотехнологічним напрямком теорії керування та відносяться до класу нелінійних динамічних систем. Висока швидкодія за рахунок розпаралелювання вхідної інформації в поєднанні зі здатністю до навчання нейронних мереж робить цю технологію вельми привабливою для створення пристроїв керування в автоматичних системах. Забезпечення швидкодії мереж у реальному часі здійснюється шляхом їх реалізації на програмованих логічних інтегральних схемах (ПЛІС). Одним із прикладів апаратної реалізації нейронних мереж є проєктування штучного нейрона та його нелінійних функцій активації. Технологія розробки додатків для ПЛІС ґрунтується на поданні алгоритму мовою опису апаратури, наприклад VHDL, і автоматичному перекладі цього опису в специфікацію на рівні логічних таблиць та інших функціональних компонентів інтегральних схем. Програмування мовою VHDL досить складне, тому постає питання про розробку спеціальних засобів автоматизації, які дозволили б ефективно генерувати високопродуктивний програмний код. У статті запропоновано засоби автоматизованого проєктування та генерації програм для ПЛІС, що ґрунтуються на алгебрі алгоритмів. Створені засоби застосовано для проєктування штучного нейрона. Розроблено метод конструювання штучного нейрона з сигмоїдальною функцією активації на ПЛІС, який відрізняється від аналогічних підходів тим, що коефіцієнти кусково-лінійної апроксимації функції активації зберігаються в пам’яті лише для додатних або лише для від’ємних значень аргументів. Це дозволило оптимізувати кількість використовуваних обчислювальних ресурсів і підвищити продуктивність нейронної мережі. Даний підхід застосовано для розробки системи з нейромережевим контролером для балансування кульки на платформі, реалізованим на ПЛІС.