0 引言

    在實時圖像處理、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域內(nèi)，經(jīng)常需要對非線性函數(shù)進(jìn)行高速計算^[1]。而在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中更是需要對大量的非線性函數(shù)進(jìn)行計算。因此，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究領(lǐng)域內(nèi)，研究如何高速地處理非線性函數(shù)具有十分重要的意義。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的是Sigmoid函數(shù)。目前對于Sigmoid函數(shù)實現(xiàn)技術(shù)的研究主要分為軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)兩個方面。由于軟件相比硬件而言速度較慢并且并行程度很低，所以無法滿足其快速處理的要求^[2]。因此，在超大規(guī)模集成電路快速發(fā)展的當(dāng)今時期，研究如何利用硬件快速處理Sigmoid函數(shù)顯然更加有意義。

    FPGA憑借其可重構(gòu)技術(shù)的靈活性，成為解決Sigmoid函數(shù)高速計算問題的有力工具。目前利用FPGA計算Sigmoid函數(shù)常用的方法有查找表法、CORDIC算法、Taylor級數(shù)展開法和分段線性逼近法。查找表法^[3]提前將所有的計算結(jié)果保存在一個ROM中，這種方法計算方便且容易實現(xiàn)，但是隨著函數(shù)計算精度的提高和擬合區(qū)間的增加，其所需求的存儲資源會顯著增加，資源消耗很高。CORDIC算法^[4]通過多次迭代將一些復(fù)雜的運算轉(zhuǎn)換成為簡單的運算，但是隨著精度增高，其算法的迭代次數(shù)也會提高，計算速度會減慢。Taylor級數(shù)展開法^[5]在精度要求較高的條件下會增加乘法器和加法器的使用，資源消耗巨大。分段線性逼近法^[6-7]將查找表和低階多項式相結(jié)合，計算速度較快，是當(dāng)前解決此問題的主流方法，然而在有限的分段區(qū)間用低階的多項式進(jìn)行擬合運算，其計算結(jié)果在精度上并沒有優(yōu)勢，難以實現(xiàn)高精度的運算要求。

    為了解決上述問題，本文采用傳統(tǒng)的分段非線性逼近法來處理Sigmoid函數(shù)。文獻(xiàn)[8]中使用了分段非線性逼近法來處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中常見的雙曲正切函數(shù)，然而文中并沒有給出分段方法的依據(jù)，同時在各小段的分段區(qū)間所得到的精度也差異很大。因此，本文針對這一問題，以Sigmoid函數(shù)為研究對象，結(jié)合Sigmoid函數(shù)自身對稱及其導(dǎo)數(shù)不均勻的性質(zhì)，利用數(shù)值分析中的最小二乘法作為逼近原理，給出合理的分段方式。同時給出對比均勻分段的處理方式下逼近精度的差異情況。利用硬件描述語言實現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并在Xilinx Virtex-5系列的XC5VLX110T器件上完成實際驗證和性能測試，從資源使用、運算速度同計算精度等方面對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行合理評估。

1 Sigmoid函數(shù)的分段非線性擬合方案及結(jié)果分析

    分段非線性逼近法的基本原理是用高階多項式來逼近曲線。首先將待逼近函數(shù)按照一定的方式進(jìn)行分段，之后對每一個小段構(gòu)建高階多項式近似地代替原曲線，從而將復(fù)雜的非線性函數(shù)的計算問題轉(zhuǎn)換成為多項式的計算問題。

    由泰勒公式的原理可知，函數(shù)在某一點按照泰勒公式展開，隨著展開的項數(shù)越來越多，逼近式的誤差會越來越小。并且，隨著項數(shù)的增加，每一項在數(shù)值上逐漸遞減，并最終趨向于無窮小。函數(shù)在某一點按照泰勒公式展開，保留N階多項式時，其之后的所有項數(shù)均影響誤差，并且(N+1)階導(dǎo)函數(shù)的數(shù)值直接影響N階多項式的逼近結(jié)果。具體影響的方式為：N+1階導(dǎo)數(shù)取絕對值后，其值越大，表明函數(shù)在這一點處使用N階多項式逼近的誤差越高，因此在這點處對應(yīng)的分段區(qū)間間隔應(yīng)該相對較??；其值越小，表明函數(shù)在這一點處使用N階多項式逼近的誤差越低，因此在這點處對應(yīng)的分段區(qū)間間隔應(yīng)該相對較大。在考慮分段時，可以根據(jù)N+1階導(dǎo)數(shù)的數(shù)值大小，將函數(shù)的分段區(qū)間進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，避免造成誤差過大。通過這樣的處理方式，可以對分段方式進(jìn)行一些優(yōu)化。下面結(jié)合Sigmoid函數(shù)進(jìn)行具體分析。

    首先分析Sigmoid函數(shù)及其導(dǎo)函數(shù)的性質(zhì)，如圖1。F(x)為Sigmoid函數(shù)，G(x)為其4階導(dǎo)函數(shù)。在保證足夠的分段區(qū)間時，使用3階多項式就能夠得到較高的逼近精度。因此，本文使用3階多項式逼近Sigmoid函數(shù)，4階導(dǎo)函數(shù)G(x)直接影響逼近的誤差。通過研究圖像，得出以下結(jié)論：

    (1)Sigmoid函數(shù)F(x)是以點(0，0.5)為對稱中心的函數(shù)，因此在計算Sigmoid函數(shù)值時只需計算正區(qū)間或負(fù)區(qū)間，另一半可通過對稱關(guān)系得到；

    (2)以正區(qū)間為研究對象，Sigmoid函數(shù)的4階導(dǎo)數(shù)在x=1處附近取得最大值，并向兩側(cè)衰減，隨著x的不斷增大，4階導(dǎo)數(shù)最終趨向于0。

    為了驗證這種基于導(dǎo)數(shù)的分段方法在逼近結(jié)果的精度方面是否具有優(yōu)勢，本文選擇了將這種分段方式與傳統(tǒng)的等間距分段方式作對比。首先，將Sigmoid函數(shù)的待處理區(qū)間進(jìn)行等分，之后比較每個子區(qū)間的函數(shù)4階導(dǎo)數(shù)的整體變化規(guī)律，對導(dǎo)數(shù)相對較大的區(qū)間進(jìn)行縮短，對導(dǎo)數(shù)相對較小的區(qū)間進(jìn)行擴(kuò)展。分別對這兩種分段方式下所有的子區(qū)間構(gòu)建3階多項式，通過對比函數(shù)各子區(qū)間及整體區(qū)間的誤差情況來驗證此分段方法的優(yōu)勢。

    本文選用MATLAB作為函數(shù)擬合工具，構(gòu)建擬合多項式使用最小二乘法原理，數(shù)據(jù)類型選取雙精度浮點數(shù)，這樣可以保證在計算過程中精度比較高。下面分別給出兩種分段方式下的分段結(jié)果及誤差對比。為了保證實驗結(jié)果可靠，各分段區(qū)間取的數(shù)足夠大(這里以0.000 1為間隔取數(shù))，結(jié)果見表1。

    通過表1可以得出，當(dāng)使用三階多項式對Sigmoid函數(shù)進(jìn)行逼近時，參照4階導(dǎo)函數(shù)的數(shù)值而分段的處理方式在平均絕對誤差和均方差兩項指標(biāo)上均優(yōu)于等間距分段的處理方式。從整體區(qū)間上看，平均絕對誤差減小了51.4%，均方差減小了71.9%。

2 Sigmoid函數(shù)的FPGA實現(xiàn)

    為了實現(xiàn)高精度的擬合要求，本文采用表1中基于導(dǎo)數(shù)的分段方式，使用三階多項式對Sigmoid函數(shù)進(jìn)行擬合處理，并給出其FPGA實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。設(shè)三階多項式為y=Ax³+Bx²+Cx+D，其在FPGA中的計算流程為：

    (1)取系數(shù)。各分段區(qū)間下的系數(shù)A、B、C、D預(yù)先存儲在RAM中，通過輸入x取出與之對應(yīng)的系數(shù)A、B、C、D。

    (2)計算Cx和x²。

    (3)計算Cx+D、Bx²和x²。

    (4)計算Bx²+Cx+D和Ax³。

    (5)計算Ax³+Bx²+Cx+D。

    (6)用1和步驟(5)的結(jié)果做減法。

    (7)選擇器。當(dāng)輸入的x為非負(fù)數(shù)時，輸出為步驟(5)的結(jié)果；若輸入的x為負(fù)數(shù)，輸出為步驟(6)的結(jié)果。

    上述所有的乘法器、加法器和減法器的設(shè)計采用Xilinx公司提供的32位單精度浮點型IP核實現(xiàn)，整個算法采用了流水線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)輸入后，10個周期延遲后得到計算結(jié)果。具體實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

    在實驗過程中，表1的誤差結(jié)果是由算法在FPGA上計算得到的結(jié)果與Sigmoid函數(shù)的真實值(精度遠(yuǎn)高于實驗的精度)之間的對比求得的。表2中的誤差結(jié)果與表1中的誤差結(jié)果相比較在平均絕對誤差方面略有不足，是由于在FPGA中使用的32位單精度浮點數(shù)在精度上不同與MATLAB上使用的64位雙精度浮點數(shù)，所以兩者之間存在略微差別，然而并不影響算法的準(zhǔn)確性。

    采用基于導(dǎo)數(shù)的分段方式并使用三階多項式的擬合方案在FPGA上所使用的資源雖然比經(jīng)典的CORDIC算法及分段線性逼近方法較多，然而這種擬合方案在算法的精度上達(dá)到了10^-5數(shù)量級，各小段分段區(qū)間甚至達(dá)到10^-6數(shù)量級。當(dāng)然，采用更高階數(shù)的多項式逼近在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)更高的精度，然而這樣的代價是會消耗更多的硬件資源。本文使用的分段非線性逼近法對Sigmoid函數(shù)的處理結(jié)果上，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另兩種算法在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中所取得的精度。并且若要達(dá)到較高精度，CORDIC算法會大大的增加迭代次數(shù)從而降低運算速度，分段線性逼近則會大大的增加存儲資源。

3 結(jié)論

    本文針對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的Sigmoid函數(shù)，采用傳統(tǒng)的分段非線性逼近方法，結(jié)合Sigmoid函數(shù)自身對稱的性質(zhì)及其導(dǎo)數(shù)不均勻的特點，給出合理的分段方式，在各小段分段區(qū)間內(nèi)使用數(shù)值分析中經(jīng)典的最小二乘法作為擬合逼近原理，得出初始分段間距同逼近多項式的階數(shù)對擬合結(jié)果精度的影響。按照上述方法給出一種在精度上達(dá)到了10^-5數(shù)量級的Sigmoid函數(shù)的擬合方案，實現(xiàn)了現(xiàn)階段對Sigmoid函數(shù)的高速、高精度的處理要求。

參考文獻(xiàn)

[1] JAIN V K，LIN L.High-speed double precision computation of nonlinear functions[C]//Symposium on Computer Arithmetic.IEEE Computer Society，1995：107.

[2] MOLZ R F，ENGEL P M，MORAES F G，et al.Codesign of fully parallel neural network for a classification problem[J].

[3] LEBOEUF K，NAMIN A H，MUSCEDERE R，et al.High speed VLSI implementation of the hyperbolic tangent sigmoid function[C]//International Conference on Convergence and Hybrid Information Technology.IEEE，2008：1070-1073.

[4] 萬書芹，陳宛峰，黃嵩人，等.基于改進(jìn)CORDIC算法實現(xiàn)高速直接數(shù)字頻率合成器[J].儀器儀表學(xué)報，2010，31(11)：2586-2591.

[5] OUALI J，SAUCIER G.Fast generation of neuro-ASICs[M]//International Neural Network Conference.1990.

[6] ARMATO A，F(xiàn)ANUCCI L，SCILINGO E P，et al.Low-error digital hardware implementation of artificial neuron activation functions and their derivative[J].Microprocessors & Microsystems，2011，35(6)：557-567.

[7] BASTERRETXEA K，TARELA J M，DEL CAMPO I.Digital design of Sigmoid approximator for artificial neural networks[J].Electronics Letters，2002，38(1)：35-37.

[8] XIE Z Z，ZHANG S Y.A non-linear approximation of the sigmoid function based FPGA[M]//Proceedings of the 2011，International Conference on Informatics，Cybernetics，and Computer Engineering(ICCE2011) November 19-20，2011，Melbourne，Australia.Springer Berlin Heidelberg，2011：221-223.

作者信息：

宋宇鯤，高曉航，張多利，杜高明

(合肥工業(yè)大學(xué) 微電子設(shè)計研究所，安徽 合肥230009）