模拟退火算法在浮点到定点位宽优化中的应用

"基于模拟退火算法的浮点转定点自动位宽优化工具 (2013年)，由黎游、蒋江、张民选和魏少军等人开发，旨在将浮点程序转换为可配置位宽的定点程序，通过模拟退火算法进行位宽优化，以满足精度要求。该工具在IIR数字滤波器的实例中得到验证，其优化效果优于传统的贪心算法，能提供一系列精度满足要求的解决方案，使芯片设计者可以在精度和复杂度之间做出权衡。在实际应用中，选择最优解配置IIR系统，在Xilinx Virtex-6 FPGA芯片上实现了大幅的性能提升和面积减少。" 本文介绍了一种名为SATRANS的软件系统，该系统是针对浮点转定点运算的位宽优化工具。浮点计算虽然精确，但硬件实现复杂且功耗高，而定点计算则可以降低这些成本，但需要合理选择位宽以确保精度。SATRANS的核心是采用了模拟退火算法来自动化这个过程，它能自动搜索到满足精度约束的最优操作数定点位宽组合。 模拟退火算法是一种全局优化技术，源自固体物理中的退火过程，通过引入温度概念和随机性，避免陷入局部最优，从而有可能找到全局最优解。在浮点转定点的位宽优化问题中，这种算法能够探索各种可能的位宽配置，寻找在精度和硬件资源之间平衡的最佳位宽组合。 论文中以IIR数字滤波器为例，展示了SATRANS的有效性。与传统的贪心算法相比，SATRANS的优化结果更优，不仅满足了精度要求，还能提供一系列可行解，为设计者提供了更多的选择。这些解在精度和复杂度之间提供了权衡，使设计者可以根据具体需求选取适合的位宽配置。 在实际应用中，作者选择了搜索结果中的面积最优解来配置IIR数字滤波器，并在Xilinx Virtex-6 FPGA上实现。实验结果显示，相比于IEEE浮点单精度和双精度系统，性能分别提升了12.4%和62.8%，面积减少了93.9%和97.9%。这样的优化结果对于硬件资源有限的嵌入式系统和FPGA设计具有显著的意义，能有效提高系统效率并降低成本。 这篇文章提出了一个创新的浮点转定点位宽优化工具，利用模拟退火算法实现了高效优化，为芯片设计提供了有力的支持。通过实际案例验证，该方法在性能和资源利用率方面都有显著优势，对于未来硬件设计和优化具有重要的参考价值。