Оптимального управления 17 страница

Архитектура TrigerSHARC предполагает три независимых блока памяти (модули ЗУ1, ЗУ2, ЗУЗ). Каждый модуль имеет 128-разрядную шину данных. Адрес доступа к данным может состоять из одного, двух или четырех слов, что позволяет пользо­вателю отказаться от традиционной сегментации памяти на па­мять программ и память данных. Передача данных в память и из памяти может осуществляться одновременно двумя вычислитель­ными блоками за один такт. Архитектура TrigerSHARC предус­матривает наряду с внутренней памятью организацию и тради­ционной оперативной.

Генератор адресов команд определяет порядок и правиль­ность их выполнения во всех модулях. Буфер конечного перехо­да (Branch Target Buffer) предсказывает переходы в программе и записывает адреса этих переходов. Объем буфера составляет 128 ячеек. Предсказание переходов с сохранением их адресов позволяет осуществлять эту операцию за один цикл вместо 3—6 в традиционной организации.

Объединение процессоров, выполненных по архитектуре TrigerSHARC, позволяет проектировать нейроускорители с об­ширными функциями.

Оценкой производительности ЦПС является число типовых операций (обычно миллионов операций) цифровой обработки сигналов в единицу времени. Ктаким типовым операциям отно­сятся фильтрация, быстрое преобразование Фурье, преобразо­вание Уолша и др. Для оценки производительности нейровы- числителей используют следующие показатели:

3.6. CUPS (connections update per second} — число изменений значений весов в секунду (оценка скорости обучения);

3.7. CPS (connections per<second) — число соединений в секунду;

3.8. CPSPW = CPS/Nw — число соединений на один синапс (здесь Nw — число синапсов в нейроне);

3.9. CPPS— число соединений примитивов в секунду, CPPS = CPU Bw Bs (здесь Bw — разрядность весов, Bs — разряд­ность синапсов);

3.10. ММАС— миллион умножений с накоплением в секунду.

Специализированную сверхбольшую интегральную схе­му, ориентированную на реализацию нейросетевых алгорит­мов, принято называть нейрочипом (СБИС-нейрочип). Раз­работкой нейрочипов занимаются многие фирмы в различ­ных странах. Значительный рост выпуска СБИС-нейрочипов наметился с середины 1990-х годов.

По принципу построения, по назначению и характеристи­кам они сильно отличаются друг от друга. На рис. 4.9 приведена схема классификация СБИС-нейрочипов.

По виду информационного носителя нейрочипы делятся на аналоговые, цифровые и гибридные.

Аналоговая элементная база характеризуется большим быс­тродействием и низкой стоимостью, что в значительной мере способствует ее производству. Самыми простыми являются СБИС с битовыми весовыми коэффициентами, которые, как правило,

Рис. 4.9. Схема классификации нейрочипов

настраиваются, с фиксированными весовыми коэффициентами и полными последовательными связями. В аналоговой технике широко применяется частотно-импульсная модуляция. Аппара­тура, использующая эту модуляцию, характеризуется низким энергопотреблением и высокой надежностью. Отметим, что в биологических НС сигналы представляются именно частотно- импульсной модуляцией. Очевидно, что эти факторы и способ­ствовали появлению на рынке аналоговых СБИС-чипов с гакой модуляцией сигнала.

По способу реализации нейроалгоритмов различают нейро-чипы с полностью аппаратной и с программно-аппаратной ре­ализацией (когда нейроалгоритмы хранятся в программируемом запоминающем устройстве).

Как видно из схемы классификации (см. рис. 4.9), нейрочи- пы бывают как с жесткой, так и с переменной структурой.

Отдельным классом выделяют нейросигнальные процессо­ры. Ядро этих СБИС представляет сигнальный процессор, а реа­лизованные на кристалле специальные дополнительные модули обеспечивают выполнение нейросетевых алгоритмов. Таким до­полнительным модулем, например, может быть векторный про­цессор.

Возможности микроэлектроники и запросы потребителей привели к созданию проблемно-ориентированного направления выпуска нейрочипов. Можно выделить следующие области их проблемной ориентации [42]:

3.11. обработка, сжатие и сегментация изображения;

3.12. обработка стереоизображений;

3.13. выделение движущихся целей на изображении;

3.14. обработка сигналов;

3.15. ассоциативная память.

Особое место в проблемной ориентации нейрочипов зани­мает ориентация на клеточную структуру. На такой структуре строятся резистивные решетки, нейрочипы с внутрикристаллической реализацией слоя фоторецепторов, так называемые ре­тины. Ретины используют в робототехнике, медицине (для вжив­ления в глаз слепого человека) и других областях.

В настоящее время значительно возрос выпуск нейрочипов, структурные особенности которых определены совместной

работой биолога и схемотехника-электронщика. Такие чипы и вычислительные устройства на их основе предназначены для решения конкретных технических задач путем моделирования на аппаратном уровне функционирования тех или иных подси­стем живых организмов.

В научно-техническом центре "Модуль" (Россия, Москва) разработан нейропроцессор J11879BM1 (NeuroMatrix 7VA/6403) [43]. Он представляет собой высокопроизводительный микро­процессор со статической суперскалярной архитектурой. Одним из назначений JI1879BM1 является аппаратная эмуляция разно­образных типов нейронных сетей.

JT1879BM1 предназначен для обработки 32-разрядных ска­лярных данных и данных программируемой разрядности, упа­кованных в 64-разрядные слова, которые в дальнейшем будут называться векторами упакованных данных. Структурная схема нейропроцессора JI1879BMl приведена на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Структурная схема нейропроцессора JI1879BM1

Основой нейрочипа является центральный процессор RfSC CORE. Он предназначен для выполнения арифметико-логиче­ских операций и операций сдвига над 32-разрядными скаляр­ными данными, формирования 32-разрядных адресов команд и данных при обращении к внешней памяти и выполнения всех основных функций по управлению работой нейропроцессора.

Выборка команд из внешней памяти осуществляется 64-раз- рядными словами, каждое из которых представляет собой одну 64- или две 32-разрядные команды.

Нейропроцессор использует 32-разрядный вычисляемый адрес при обращении к внешней памяти. Доступное адресное пространство нейропроцессора равно 16 Гбайт. Оно делится на две равные части — локальное и глобальное. На рис. 4.11 пока­зано распределение адресного пространства нейропроцессора.

Ядром нейропроцессора является блок RISC CORE (см. рис. 4.10). Он состоит из регистрового арифметико-логического устройства (РАЛУ — RALU), двух генераторов адресов данных {DAGl,DAG2), генератора адресов команд (Programm Seqimcer) и блока управления (Control Unit).

Нейропроцессор поддерживает одно внешнее прерывание и девять внутренних:

• два прерывания от таймера;

Рис. 4.11. Распределение адресного пространства нейропроцессора Л1879ВМ1

· прерывание по переполнении при выполнении арифмети­ческих операций в RISC-ядре;

· прерывание по запрещенной векторной команде;

· четыре прерывания от каналов ввода/вывода но заверше­нии обмена через коммуникационные порты;

· пошаговое прерывание в режиме отладки.

Векторный сопроцессор VCP. Этот блок (см. рис. 4.10) ори­ентирован на обработку данных произвольной разрядности от 1 до 64, упакованных в 64-разрядное слово. Сопроцессор вклю­чает в себя следующие блоки:

· OU — операционное устройство;

· RCS— циклический сдвигатель вправо на один разряд;

· SU1, SU2 — узлы аппаратной реализации функции насы­щения;

· FlCR, F2CR — регистры управления узлами насыщения;

· SWITCH 3->2 — коммутатор 3 в 2;

· WBUFvL WOPER — матрицы памяти весовых коэффициентов;

· WFIFO-FIFO весовых коэффициентов;

· AFIFO — накопительное FIFO;

· RAM— векторный регистр;

· VR — регистр порогов.

Нейропроцессор содержит два идентичных высокоскорост­ных коммуникационных порта ввода/вывода CP0 и CPl, каж­дый йз которых обеспечивает двунаправленный интерфейс для связи с внешним устройством.

Нейропроцессор JI1879BM1 поддерживает как однопроцес­сорный, так и многопроцессорный режим работы по любой из двух внешних шин с использованием двух коммуникационных портов CP0 и CPl. На рис.4.12 приведена структурная схема линейной" многопроцессорной системы. Если соединить выход последнего каскада такой схемы со входом первого, как показа­но пунктиром на рис. 4.12, то можно получить кольцевую мно­гопроцессорную структуру.

На рис. 4.13 представлена структурная схема матричной мно­гопроцессорной системы на базе микропроцессора JI1879BM1. Если соединить через коммуникационные порты СЮ и СР\ выходы крайнего правого столбца схемы со входами крайнего левого, то получится схема в виде вертикального цилиндра.

Рис. 4.12. Структурная схема линейной многопроцессорной системы

Очевидно, что схему горизонтального цилиндра можно по­лучить, соединив по внешним шинам L-bns и G-bus входы/вы­ходы крайних верхней и нижней линеек процессоров. Если со­единить правые и левые входы/выходы у горизонтального цилиндра или верхние и нижние входы/выходы у вертикально­го цилиндра, то получим тороидальные многопроцессорные си­стемы. При обмене информацией через общую память внешняя шина, соединяющая два нейропроцессора, должна быть локаль­ной (L-bus) для одного из них и глобальной {G-bus) для другого. Скорость обмена информацией через порты CP0 и CPl состав­ляет 20 Мбайт в секунду.

В нейропроцессоре применяются четыре основные груп­пы команд: управления скалярные, управления векторные, пересылки, модификации адресных регистров. В каждой ко­манде программист имеет возможность задать операцию об­работки операндов. Команды имеют фиксированную длину 32 или 64 разряда. Все команды выполняются за один такт синх­ронизации.

В связи с бурным развитием в последнее время методов и средств оптоэлектронной обработки информации и созданием всевозможных устройств для применения в различных сферах науки и техники, представляет значительный интерес создание оптоэлектронных реализаций нейронных сетей, так как они могут иметь более высокое быстродействие и помехозащищенность.

Рис. 4.13. Структурная схема матричной многопроцессорной системы

Рис. 4.14. Схемадефлекторного фаззификатора

Рассмотрим варианты реализации оптических и оптико-элек- тронных элементов НС.

Простейшая дефлекторная схема оптического фаззифика- тора показана на рис. 4.14.

Коллимированный луч света диаметром d от источника А отклоняется дефлектором F таким образом, что засвечивает, в зависимости от угла v(x), одно из отверстий маски М. Угол отклонения зеркала дефлектора v является функцией входной величины х. За маской устанавливаются либо фотоприемники, либо оптические элементы канализации света для передачи сигналов (при необходимости — после нормализации) через оптико-электронную линию связи (ОЭЛС) либо через воло­конно-оптическую линию связи (BOJlC) на последующую об­работку. Выходной функцией системы является площадь за­светки фогоприемника ОЭЛС, либо входной апертуры ВОЛС S., где /' — номер засвеченного отверстия маски. При диаметре отверстий D = d, их шаге W— 1,5Д постоянном расстоянии от дефлектора до маски, квадратных сечениях отверстий и пучка вид зависимости £.(□), а следовательно, и S.(x), примет вид, показанный на рис. 4.15.

Если принять входной сигнал описанной дефлекторной сис­темы как "четкий" входной параметр х, то площадь засветки каж­дого отверстия маски S_P отнесенная к 5^, будет соответствовать величине A(x) (рис. 4.15) для каждого /-ro терма. Интерпретируя пример лингвистически, можно сказать, что, если входной вели­чиной х является температура (ф = at), то засветка первого отвер­стия маски будет соответствовать значению температуры "низкая", второго — "средняя", и третьего — "высокая" с соответствующи­ми значениями A_t(t) — bS,(ф), где b — некоторый коэффициент.

Рис. 4.15. Пример функции засветки 5,(ф)

откуда видно, что >5" можно рассматривать, как некоторый оп­тический аналог (модель) А, а функцию 5(ф) — аналог (модель) функции принадлежности.

Соотношения диаметров пучка света d, отверстий маски D и периода их следования W, равно как и форма отверстий и сечения пучка? задают вид функции принадлежности. Так, при D > d будет иметь место трапеЩидальная функция, при сечени­ях пучка и отверстий, отличных от прямоугольных, вид функ­ции будет близок "колокообразной" и т. д.

где [а, b] — "пик" или "ядро" А,

Известно, что функция принадлежности A(t) в общем виде может быть представлена следующим образом:

есть непрерывные и невозрастающие функции с Z,(0) = R{0) = 1 и L(1) = R(1) = 0.

Таким образом, в то время, как нечеткое множество опре­деляется множеством кортежей вид выходной функции описываемого устройства определяется множеством

Таким образом, изменением геометрических параметров пучка света и маски, а также распределения интенсивности в пучке подбирается вид функций L и R. Более того, используя в качестве маски управляемый транспарант, можно получить устройство с переменной функцией принадлежности, что рас­ширяет функциональные возможности предлагаемой схемы.

В качестве дефлекторов можно использовать следующие элек­трооптические и акустооптические модуляторы: призменные деф­лекторы, решетки гтризменных дефлекторов, решетки канальных фазовых модуляторов и др., основанные на электрооптическом или акустооптическом эффектах/ Такие фазификаторы относятся к электронно-оптическим. При этом входной величиной будет на­пряжение, подаваемое на модулятор. На рис. 4.16 приведен при­мер схемотехнического решения акустооптического устройства, состоящего из встречно-штыревого преобразователя для возбуж­дения поверхностно-акусгической волны (ПАВ) 4, оптической вол- новодной системы (полупроводниковый лазер 1, сформирован­ные в оптическом волноводе 2 планарные линзы 3 и 5), линейки 6 фотоприемников ОЭЛС или элементов канализации света BOJlC и поглотителей ПАВ 7 и недифрагировавшего пучка света 8.

Входным параметром здесь является частота электрического сигнала U(t), в зависимости от изменения которой засвечивает­ся тот или иной фотоприемник. Такая структура практически не отличается от известной схемы спектроанализатора [44] за ис­ключением того, что в схеме спектроанализатора линейный раз­мер фотоприемника s должен быть не меньше дифракционного изображения волноводного пучка в фокальной плоскости лин­зы, а в данном случае, наоборот, изображение пучка должно

Рис. 4.16. Схема оптоинтегрального акустооптического фазификатора

быть не меньше линейного размера фотоприемника или вход­ной апертуры последующей оптической схемы. В остальном из­вестные расчетные соотношения [45] справедливы и для расчета параметров такого фазификатора.

Рассмотрим теперь интерференционныйтип фазификатора. Известны так называемые интерференционно-кодовые преоб­разователи (ИКП) [45], принцип действия которых основан на преобразовании входной величины в перемещение интерферен­ционных полос и оптическом сопряжении их с оптическим ко­дирующим устройством. Входная величина в ИКП, как прави­ло, является электрической. Тот же принцип лежит и в основе функционирования нечеткого преобразователя, но вместо со­пряжения интерференционной картины с кодирующим устрой­ством применяется сопряжение с маской. При этом особеннос­тью данного типа модуляторов по сравнению с дефлекторными является характер распределения интенсивности, являющийся периодической функцией с периодом т. Поэтому шаг отверстий маски W в этом случае составляет

где п — количество отверстий (равное количеству термов).

При необходимости можно значительно (в п раз) повысить чувствительность интерференционного преобразователя путем введения нониусного сопряжения интерференционной картины с маской. В этом случае соотношение шага отверстий маски W_m | и шага интерференционных полос W_t должно быть следующим:

Вид функции принадлежности при использовании интер­ференционного типа преобразователя определяется распределе­нием интенсивности в интерференционных полосах устройства конкретной.конструкции, близок к "колоколообразному", и управлять им сложнее. Для этого необходимы специальные при­емы повышения контрастности и т. д.

Использование растровых фазификаторов оправдано в тех случаях, когда входной величиной является механическое пере­мещение (линейное или угловое). Методы и средства примене­ния различных типов растровых сопряжений (нониусные, муа­ровые, комбинированные) в разнообразных технологических исполнениях (объемная, интегральная и волоконная оптика) для целей обработки информации исследованы и описаны [46], поэтому здесь можно ограничиться лишь одним примером для пояснения принципов использования растровых сопряжений? именно в оптических фазификаторах.

Предположим, имеется входная величина x(t) — СМЕЩЕ­НИЕ с набором п термов {незначительное (S), влево (L), впра­во (R), значительное влево (LL), значительное вправо (LR)}. При этом интерпретация термов следующая:

"незначительное"— x(t) примерно около 0;

"влево" — x(t) примерно около -x,;

"вправо" — x(t) примерно около x,;

"значительное влево" — x(t) меньше —х₂;

"значительное вправо" — x(t) больше х₂,

причем для упрощения расчета примем х₂ = 2х₁ Геометрические параметры простейшего нониусного растро­вого сопряжения в данном случае следующие:

где d_m и d_f- ширина щелей измерительного и неподвижного растров соответственно, W_m и W_f — шаги их щелей.

На рис. 4.17 приведена схема такого датчика. С объектом, смещение которого является входной величиной x(t), связан измерительный растр М, оптически сопряженный с непод­вижным растром F. Связь объекта с измерительным растром полужесткая, с тем, чтобы ограничить амплитуду смещения величиной х₂ для корректной реализации граничных термов "x(t) < —х₂"и "x(t) > x". Измерительный растр засвечивается световым потоком I₀, графики засветки отверстий неподвиж­ной маски, соответствующие различным термам при смеще­нии измерительного растра, приведены на рисунке.

Форма получаемых функций принадлежности приведена для прямоугольных щелей растров, но в общем случае при исполь­зовании нониусного сопряжения можно изменять форму так же,

Рис. 4.17. Схема нониусного фаззификатора

как и в описанной выше дефлекторной схеме, например, изме­нением формы отверстий подвижного и неподвижного растров. Более того, если использовать в качестве обоих растров управ­ляемые транспаранты, становится возможным самая широкая вариация всех параметров преобразователя.

Использование муарового сопряжения позволяет достичь более высокой чувствительности (разрешающей способности), муаровая картина по распределению интенсивности аналогична интерференционной картине, соответственно и приведенные выше соображения насчет интерференционного типа преобра­зователя справедливы и для муарового.

Обобщая, можно заключить, что в качестве фазификаторов могут быть применены (естественно, с некоторой схемотехни­ческой адаптацией) большинство известных устройств датчи­ков и измерительных преобразователей, в которых используется принцип пространственно-временного кодирования.

Сложным и не полностью решенным вопросом до сих пор остается анализ погрешностей фазификаторов. Действительно выходом подобного датчика является не только численное значе­ние функции принадлежности А(х) логической переменной х, но и сама логическая переменная х, принимающая значение 1 при у е (а, в), либо 0 при у e (а, в), где у — переменная на входе нечеткого сенсора. Анализ погрешности определения А(х) традиционен. Анализ же погрешности определения значения х может быть сведен к анализу определения границ интервалов а и в, что также может быть проведено традиционными методами. Однако остается дискуссионным вопрос: надо ли погрешность фазификаторов характеризовать набором погрешностей опреде­ления А(х), аив, либо следует ввести какую-либо новую обоб­щенную оценку погрешности.

Наиболее просто оптическими методами реализуется логи­ческая операция "ИЛИ". Например, если считать, что наличие луча света соответствует значению логической переменной X_i= 1, а его отсутствие — значению логической переменной X_j = 0, то подавая на вход оптического волокна (световода) два луча (х, = 1 и X₂ = 1), на его выходе будет луч, соответствующий логической переменной у<=> X₁V х₂ (операция "ИЛИ") (рис. 4.18).

При реализации других логических операций и функций одной оптикой не обойтись. В частности, для реализации логи­ческой операции "НЕ" потребуется использование, как мини­мум фотоприемника (фотодиода), порогового элемента (компа­ратора) и излучателя (светодиода), как показано на рис. 4.19.

Рис. 4.18. Схема оптического логического элемента "ИЛИ"

Рис. 4.19. Схема оптико-электронного логического элемента "НЕ" 1— фотодиод; 2— компаратор; 3— светодиод; X — луч света, соответствующий значению X— 1; -X— луч света, соответствующий значению X= 0; -U- опорное напряжение, соответствующее логической 1

Использование оптико-электронных схем для реализации машины нечеткого вывода (MHB) и дефазификатора также воз­можно. Например, с помощью волоконных кодирующих уст­ройств можно осуществить решение нечетких правил типа "если — то" [47], с помощью сопряжения волокон с матрицей или линейкой ПЗС — дефазификатор [48].

Задачей MHB является отработка всей системы правил над полученными с выходов фазификаторов нечеткими входными величинами и получение результата в виде нечеткого множе­ства, которое далее должно быть дефазифицировано, т. е. путем некоторой процедуры получена четкая величина управляющего воздействия.

В простейшем случае MHB может быть построена на основе оптических кодирующих устройств, например, оптоволоконных. Рассмотрим реализацию фрагмента набора из двух правил, опи­сывающих некое "управляющее воздействие" на объект Z на основе входной информации о "перемещении Г' X и "переме­щении 2" Y, которые получены с фазификаторов, аналогичных описанным выше.

Если X = "большое влево (LL)" И Y = "вправо (R)", то Z= "очень сильное (LF)" Если X= "влево (L)" Y= "большое вправо (LR)", то Z= "сильное (F)".

На рис. 4.20 приведена схема оптической реализации при­веденной системы правил в виде кодирующе-суммирующей оп­товолоконной схемы.

На рисунке показаны оптоволоконные сумматоры оптичес­ких сигналов, снимаемых с выходов LL и L фазификатора вход­ной величины X и выходных сигналов R и LR, снимаемых с фазификатора входной величины Y. Результатом суммирова­ния будут сигналы, снимаемые с выходов LF и F выходной не­четкой величины Z. Выход представляет собой линейку выход­ных апертур волоконного кодирующего устройства.

Рассмотрим графики функций засветки выходов обоих фази­фикаторов (рис. 4.21) и покажем, каким образом формируется выходная четкая величина Z₀ при входных четких величинах X₀ и у₀.

Выходная величина Z₀ по термам F и LF образуется путем сложения входных оптических сигналов в соответствии с прави­лами вывода:

Рис. 4.20. Схема оптической реализации системы двух нечетких правил

Рис. 4.21. Функции засветки выходов фазификаторов входных величин хи у

На линейке выходных апертур кодирующего устройства по­лучим суммарные интенсивности I(LF_z) и I(F_z).

Для того чтобы на основе полученного распределения зас­ветки линейки выходов суммирующего кодера получить вели­чину четкого управляющего воздействия Z₀ (т. е. осуществить операцию дефазификации), необходимо первоначально осуще­ствить диффузное рассеяние линейной засветки. Это осуществ­ляется, например, установкой микролинз на выходах оптово- локон, при помощи дифракционной решетки или другими оптическими средствами. Затем выделяется пространственное положение максимума полученного распределения (показан­ного на рис. 4.22 пунктиром) при помощи либо ПЗС линейки, либо, когда необходимо получить цифровой выход, сопряже­нием выходной линейки кодера с оптическим кодирующим ус­тройством (маской с двоичным или иным кодом). При этом для повышения точности аналого-цифрового преобразования пространственного положения пятна засветки в выходной код, соответствующий необходимому управляющему воздействию, целесообразно применить схему оптического кодирующего ус­тройства с инверсными разрядами [48].

Таким образом, дефазификатором в данном случае служит оптическая система из выходной линейки кодера-сумматора, оптических элементов для "размывания" линейной картины за-

Рис. 4.22. Функции засветки выходов кодирующего устройства

светки и устройства пространственного декодирования. Описан­ная схема дефазификации близка к известному методу наиболее часто применяемого способа дефазификации по методу нахож­дения центра масс, когда дефазифицированное значение нечет­кого множества С определяется, как его нечеткий центроид:

В структурах оптоэлектронных нечетких логических регуля­торов возможно применение различных комбинаций элементов, оптических, электрических, оптоэлектронных. Так, на выходе оптического фазификатора (любого типа — растрового, как опи­сано в данной работе, либо интерференционного или дефлек- торного) может быть установлена линейка фотоприемников, и дальнейшая обработка сигналов ведется уже в электрическом виде. Весьма перспективно применение управляемых транспа­рантов для изменения и настройки баз знаний и формы функ­ций принадлежности. В случае реализации предложенных струк­тур на основе оптоинтегральных технологий возможно создание микроминиатюрных однокристальных или гибридных устройств обработки информации на основе принципов нечеткой логики.

С учетом того, что, как было отмечено выше, в оптических фазификаторах несложно получить и инвертированный выход­ной сигнал (точнее, нечеткое множество сигналов), на основе описанной структуры возможна реализация широкого спектра баз нечетких знаний и механизмов вывода.

Дата добавления: 2015-04-29