شماره ركورد
30243
پديد آورنده
احمد توحيدي گل
عنوان
طراحي واحدهاي محاسباتي با رويكرد محاسبات تقريبي و توان مصرفي پايين
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
برق- الكترونيك
سال تحصيل
1396
تاريخ دفاع
1402/7/9
استاد راهنما
دكتر كريم محمدي
استاد مشاور
دكتر رضا اميدي
دانشكده
دانشكده مهندسي برق
چكيده
امروزه بازده انرژي در سامانههاي پيشرفته يك چالش طراحي اجتناب ناپذير بشمار ميرود. محاسبات تقريبي يك رويكرد طراحي است كه از انعطاف پذيري و تابآوري ذاتي كاربردهاي مختلف در برابر خطا، در جهت كاهش توان و هزينههاي سخت افزاري استفاده ميكند. در اين پژوهش از روشهاي محاسبات تقريبي براي طراحي مدارهاي محاسباتي انرژي كارآمد استفاده شده است. از آنجايي كه واحد ضرب و انباشت در سامانههاي پردازش سيگنال و يادگيري ماشين بيشترين استفاده را دارد، در اين پژوهش چندين مدار ضربكننده تقريبي مميزثابت و مميزشناور پيشنهاد شده است. ضربكنندههاي مميزثابت پيشنهادي در اين پژوهش از نوع گستره پويا هستند. دقت ضربكنندههاي گستره پويا مستقل از دامنه عملوند ورودي است و دركاربردهايي مانند فيلترهاي FIR، خطينگي مدار را حفظ ميكنند. فرمت مميزشناور براي نمايش اعداد با گستره وسيع طراحي شده است به همين جهت براي طراحي عملگرهاي تقريبي مميزشناور گستره پويا نيازي به مدارهاي جانبي نيست و هزينه سختافزاري مدار كمتر است. در اين پژوهش چندين مدار ضربكننده تقريبي براي فرمت مميزشناور پيشنهاد شده است. براي ارزيابي ضربكنندههاي تقريبي از يك معيار شايستگي مبتني بر روش مجموع وزني ساده استفاده شده است. در اين معيار ميتوان به هر شاخص متناسب با ميزان اهميت آن وزن اختصاص داد. جهت وزن دهي به شاخصهاي مداري سه رويكرد متفاوت در نظر گرفته شده است. در رويكرد اول تمامي شاخصها وزن يكسان دارند و در رويكرد دوم و سوم براي توان مصرفي وزن بزرگتري در نظر گرفته شده است. از ميان روشهاي پيشنهادي اين پژوهش كه شايستگي بالاتري دارند، ضربكننده شبه بوث مميزثابت تقريبي 16 بيتي با كدكننده شبه بوث مبناي 4 و 12 بيت تقطيع نسبت به ضرب دقيق تا 89 درصد توان مصرفي را بهبود ميدهد و مقدار MRED آن برابر با 4.2 درصد است. ضربكننده شبه بوث مميزشناور با كدكننده مبناي 4 و عرض داده 4 نسبت به ضرب مميزشناور 32 بيتي تا 98.9 درصد توان مصرفي كمتري دارد و مقدار MRED آن برابر با 3.2 درصد است. ساختار تكرارپذير و دقيقتر اين ضربكننده نيز با مبناي 16 و عرض داده 19 تا 67.5 درصد توان مصرفي را كاهش ميدهد و مقدار MRED آن 4-10×8.5 درصد است. در اين پژوهش علاوه بر طراحي عملگرهاي تقريبي و ارزيابي آنها در كاربردهاي مختلف، يك ياخته عصبي تقريبي نيز پيشنهاد شده است. ياخته عصبي پيشنهادي در اين پژوهش از تابع غيرخطي سيگموئيد استفاده ميكند و در مقايسه با ياخته عصبي دقيق 16 بيتي معادل، تا 43.2 درصد توان مصرفي را كاهش ميدهد.
تاريخ ورود اطلاعات
1402/09/27
عنوان به انگليسي
Design of Low-Power Computational Units Using the Approximate Computing Approach
تاريخ بهره برداري
1/1/1900 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
احمد توحيدي گل
چكيده به لاتين
Nowadays, energy efficiency has become a significant challenge in the design of processing hardware. In this research, approximate computing methods have been employed to design energy-efficient computational circuits. Approximate computing is a design paradigm that utilizes the flexibility and resilience of applications to errors in order to reduce the cost of hardware or software implementations. Considering the extensive usage of multiplier and accumulator units in signal processing and machine learning systems, this thesis proposes several approximate fixed-point and floating-point multiplier circuits. The proposed fixed-point multipliers in this thesis are of the dynamic range type. The accuracy of dynamic range multipliers is independent of the input operand range and they preserve circuit linearity in applications such as FIR filters. The floating-point format is designed to represent the wide range numbers. This feature of fixed-point numbers eliminates the need for auxiliary circuits in processing the dynamic range numbers. In this thesis, several approximate multiplier circuits for the floating-point format are proposed. To evaluate and compare the proposed multipliers, a figure of merit (FOM) metric based on the SAW method (Simple Additive Weighting) has been used. This metric enables the assignment of weights to attributes according to their significance. Three different approaches are considered for weighting the attributes. In the first approach, all attributes have equal weight, while in the second and third approach, a greater weight is assigned to power consumption attribute. The proposed multiplier designs demonstrate significant reductions in power consumption. The 16-bit approximate fixed-point pseudo-Booth multiplier, equipped with a radix-4 pseudo-Booth encoder and 12-bit truncation, achieves 89% reduction in power consumption compared to the exact multiplier. The MRED (Multiplicative Relative Error Distance) value of this multiplier is 4.2%. Similarly, the approximate floating-point pseudo-Booth multiplier, equipped with a radix-4 pseudo-Booth encoder and 4-bit data width, achieves a remarkable 98.9% reduction in power consumption compared to the 32-bit floating-point multiplier, while its MRED value is 3.2%. Furthermore, the more accurate iterative version of this multiplier, equipped with a radix-16 encoder and 19-bit data width, achieves a substantial 67.5% reduction in power consumption and remarkable MRED value of 8.5×10^(-4)%. In addition to the design and evaluation of approximate operators in different applications, this thesis also introduces a novel approach to approximate neuron design. The proposed neuron utilizes the sigmoid activation function and achieves remarkable improvements compared to its equivalent 16-bit precise neuron. Specifically, it provides a significant 43.2% reduction in power consumption.
كليدواژه هاي فارسي
محاسبات تقريبي , مدارهاي انرژي كارآمد , پردازش تصوير تقريبي , ياخته عصبي تقريبي
كليدواژه هاي لاتين
Approximate computing , approximate image processing , approximate neuron , low-power circuits
Author
Ahmad Towhidy Gol
SuperVisor
Karim Mohammadi