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Achronix FPGA加速:GNN在实际应用中的性能优化策略
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更新于2024-08-28
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Achronix的"机器学习实战:GNN(图神经网络)加速器的FPGA解决方案"深入探讨了随着大数据和计算能力增强,图神经网络(GNN)在解决现实世界中复杂非欧氏数据问题上的重要性。传统的机器学习任务如图像分类、语音识别和自然语言处理主要处理欧氏数据,然而,图数据形式的应用,如社交网络分析、蛋白质结构预测和电商平台用户行为理解,对现有算法提出了新的挑战。GNN正是为处理这类数据结构而设计的,它们能捕捉数据间的依赖关系,但对算力和存储资源的需求极高,因为传统的软件实现效率低下。 GNN的设计与CNN(卷积神经网络)在某些方面相似,包括卷积层、聚合函数、激活函数、机器学习处理器(MLP)和全连接层等组件。然而,GNN的特殊性在于它针对图数据的处理,需要专门的优化算法和硬件支持。由于GNN硬件加速的需求日益迫切,但目前中文领域的研究相对匮乏,特别是缺乏针对GNN的FPGA加速解决方案。 该篇文章旨在填补这一空白,通过结合国外的研究成果,以及作者对于GNN FPGA加速技术的独特见解,提供一个全面的GNN加速器设计指南。文章可能涵盖了GNN的基本原理、现有的理论基础、以及如何利用Achronix的FPGA平台来提升GNN的执行速度和效率,以适应不断增长的数据复杂度和实际应用需求。通过阅读这篇文章,读者不仅能了解GNN的核心概念,还能了解到如何将其有效地应用于实际的机器学习项目中。
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Achronix - 机器学习实战:机器学习实战:GNN(图神经网络)加速器的(图神经网络)加速器的
FPGA解决方案解决方案
. 概述 得益于大数据的兴起以及算力的快速提升,机器学习技术在近年取得了革命性的发展。在图像分类、
语音识别、自然语言处理等机器学习任务中,数据为大小维度确定且排列有序的欧氏(Euclidean)数据。然
而,越来越多的现实场景中,数据是以图(Graph)这种复杂的非欧氏数据来表示的。Graph不但包含数据,也
包含数据之间的依赖关系,比如社交网络、蛋白质分子结构、电商平台客户数据等等。数据复杂度的提升,对
传统的机器学习算法设计以及其实现技术带来了严峻的挑战。在此背景之下,诸多基于Graph的新型机器学习算
法—GNN(图神经网络),在学术界和产业界不断的涌现出来。 GNN对算力和存储器的要求非常
. 概述
得益于大数据的兴起以及算力的快速提升,机器学习技术在近年取得了革命性的发展。在图像分类、语音识别、自然语言
处理等机器学习任务中,数据为大小维度确定且排列有序的欧氏(Euclidean)数据。然而,越来越多的现实场景中,数据是
以图(Graph)这种复杂的非欧氏数据来表示的。Graph不但包含数据,也包含数据之间的依赖关系,比如社交网络、蛋白质
分子结构、电商平台客户数据等等。数据复杂度的提升,对传统的机器学习算法设计以及其实现技术带来了严峻的挑战。在此
背景之下,诸多基于Graph的新型机器学习算法—GNN(图神经网络),在学术界和产业界不断的涌现出来。
GNN对算力和存储器的要求非常高,其算法的软件实现方式非常低效,所以业界对GNN的硬件加速有着非常迫切的需
求。我们知道传统的CNN(卷积神经网络网络)硬件加速方案已经有非常多的解决方案;但是,GNN的硬件加速尚未得到充
分的讨论和研究,在本文撰写之时,Google和百度皆无法搜索到关于GNN硬件加速的中文研究。本文的撰写动机,旨在将国
外 的GNN算法、加速技术研究、以及笔者对GNN的FPGA加速技术的探讨相结合起来,以全景图的形式展现给读者。
2. GNN 简介
GNN的架构在宏观层面有着很多与传统CNN类似的地方,比如卷积层、Polling、激活函数、机器学习处理器(MLP)和
FC层等等模块,都会在GNN中得以应用。下图展示了一个比较简单的GNN架构。
图 1:典型的GNN架构(来源:https://arxiv.org/abs/1901.00596)
但是, GNN中的Graph数据卷积计算与传统CNN中的2D卷积计算是不同的。以图2为例,针对红色目标节点的卷积计
算,其过程如下:
l Graph卷积:以邻居函数采样周边节点特征并计算均值,其邻居节点数量不确定且无序(非欧氏数据)。
l 2D卷积:以卷积核采样周边节点特征并计算加权平均值,其邻居节点数量确定且有序(欧氏数据)。
图 2: Graph卷积和2D卷积(来源:https://arxiv.org/abs/1901.00596)
3. GraphSAGE算法简介
学术界已对GNN算法进行了非常多的研究讨论,并提出了数目可观的创新实现方式。其中,斯坦福大学在2017年提出的
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