Hücresel Yapay Sinir Ağı işlemcisi tasarımı ve FPGA gerçeklemesi

Gelişen CMOS teknolojisi ile kameralar giderek daha fazla günlük hayatımızın içinde yer almaya başladılar. CMOS kameralar ticari olarak hazır, kolay temin edilebilir, kullanımı kolay, ucuz ve kaliteli görüntü üretebilir hale geldiler. Bu sensörlerden daha iyi yararlanma isteği görüntü işlemenin önemini giderek arttırıyor. Giriş görüntüsünü istenilen hale getirmeye veya görüntünün içerisinden istenilen bilgileri çıkarma işlemine görüntü işleme denir. Kontrol sisteminin hızlı cevap verme gereksinimi veya işlenmiş görüntünün asıl işle beraber olma isteği gerçek zamanlı görüntü işleme ihtiyacı yaratmaktadır. Canlılar sinir ağı sayesinde gelen verileri paralel olarak işleyebilmektedir. Sinir hücreleri düşük frekansta çalışmasına rağmen paralel işleme yeteneği sayesinde yüksek işlem kabiliyetine sahiptir ve çok hızlı karar verirler. Canlıların sinir ağından esinlenilen Hücresel Yapay Sinir Ağları (HYSA) görüntü işleme fonksiyonu için oldukça uygundur ve gerçekleştirdiği görevin basit parametreler ile değiştirilebilmesi HYSA'yı bu alanda oldukça etkili kılmaktadır. HYSA yoğun işlem gücü gerektirmesi, donanımın paralel işlem kabiliyeti nedeni ile donanım çözümlerini yazılıma göre daha uygun kılmaktadır. HYSA'nın ilk olarak analog gerçeklemeleri yapılmıştır ama bunların eksiklikleri araştırmacıları sayısal donanım çözümlerine yöneltmiştir. Prototiplemeye imkan vermesi, tasarım kolaylığı ve tekrar programlanabilirliği ile FPGA'ler günümüzde sıklıkla sayısal donanım tasarımı için kullanılmaktadır. Bu çalışmada, ayrık zamanlı HYSA emülatörü olarak yeni bir Hücresel Yapay Sinir Ağı (HYSA) işlemcisi mimarisi sunulmuştur. Bu mimariye Hücresel Yapay Sinir Ağı Emülatör İşlemcisi (HYSA-Eİ) ismi verilmiştir. Uygulamaya yönelik bir işlemci ve bunun özel kodlanması hem hız ihtiyacını karşılama hem de esneklik sağlaması açısından oldukça kullanışlı bir çözüm sunmaktadır. HYSA bir işlemcinin aritmetik fonksiyonu olarak tasarlanmıştır. Bu fonksiyonu çağırabilen basit bir işlemci tasarlanmış ve gerçeklenmiştir. Komut n kere 3x3'lük şablonlu HYSA fonksiyonunu girişe uygular. Komutun çıkışı farklı hafıza bölümlerinde bir sonraki komutta kullanılmak üzere kayıt edilmektedir. Giriş ve başlangıç koşulu kayıtlı DDR2 bölümlerinden seçilebilir. Bu mimari işlemci çekirdeğini çevre ünitesi kontrolörleri ile birleştirmiştir. Ayrıca, HYSA-Eİ Spartan 6 XC6SLX45 FPGA üzerinde gerçeklenmiştir. İki adet örnek program ile test edilmiş, örnek program ve test çıktıları verilmiştir. Sistemin düşük lojik kaynak tüketmektedir. Belirli bir iterasyon sayısında HYSA çekirdeği 1600x900 videoyu 15 fps'ye kadar işleyebilmektedir. Performansı iterasyon sayısının artması ile azalmaktadır. Sistem 16,6 iterasyon/s işlem hızında çalışmaktadır.