I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n  ( I J RA)   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 ,   p p .   4 8 5 ~ 4 9 4   I SS N:  2722 - 2 5 8 6 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /i jr a . v 13 i 4 . pp 4 8 5 - 494           485       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij r a . ia esco r e. co m   Desig n and   imple menta tion o f  deep  neural ne twork  h a rdwa re  chip and  i ts per forma nce ana ly sis       Aruna   P a nt,   Adesh   K um a r   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s  En g i n e e r i n g ,   S c h o o l   o f   A d v a n c e d   En g i n e e r i n g ,  U P ES ,   D e h r a d u n ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   1 3 ,   2 0 2 4   R ev is ed   J u n   9 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   J u l 1 7 ,   2 0 2 4       Th e   a rti ficia l  n e u ra l  n e tw o rk   ( AN N)  with   a   sin g le  lay e r  h a s  a   li m it e d   c a p a c it y   to   p r o c e ss   d a ta.  M u lt i p le  n e u ro n s  a re   c o n n e c ted   in   t h e   h u m a n   b ra in ,   a n d   th e   a c tu a l  c a p a c it y   o f  th e   b ra in   li e s  in   th e   in terc o n n e c ted n e ss   o f  m u lt ip l e   n e u ro n s.  As   a   s p e c ifi e d   g e n e ra li z a ti o n   o f  AN N  d e e p   lea rn i n g   m a k e s  u se   o f   two   o r  m o re   h i d d e n   lay e rs,  wh ic h   imp li e s  t h a t  a   g re a ter  n u m b e r  o f  n e u r o n s   a re   re q u ired   t o   c o n stru c t   th e   m o d e l.   A   n e two r k   t h a t  h a s  m o re   th a n   o n e   h id d e n   lay e r,   a ls o   k n o wn   a s  two   o r   m o re   h id d e n   lay e rs,  is  re fe rre d   t o   a s  a   d e e p   n e u ra l  n e two r k ,   a n d   th e   p r o c e ss   o f  train in g   s u c h   n e two r k s  is   re fe rre d   to   a s  d e e p   lea rn in g .   Th e   re se a rc h   a rti c le  fo c u se s  o n   th e   d e sig n   o f  a   m u lt il a y e r   o r  d e e p   n e u ra l  n e tw o rk   p re se n t e d   fo r  th e   targ e t  field   p r o g ra m m a b le  g a te  a rra y   (F P G A)  d e v ice   sp a rtan - 6   ( x c 6 stx 4 - 2 t 9 g 1 4 4 )  F P G A.  Th e   sim u latio n   is   c a rried   o u t   u si n g   Xi li n x   IS E   a n d   M o d e lS im   so ftwa re .   T h e re   a re   two   h i d d e n   lay e rs  in   wh ic h   ( 2 × 1 )  m u lt i p lex e r  b lo c k s  a re   u ti li z e d   fo r  p ro c e ss in g   twe n t y   n e u ro n s  in t o   th e   o u tp u t  o f  ten   n e u ro n s  in   th e   first  h i d d e n   l a y e r  a n d   d e m u lt ip lex e rs  (1 × 2 )  a n d   v ice   v e rsa .   Th e   h a r d wa re   u ti li z a ti o n   is   e stim a ted   o n   F P G A  to   c o m p u te  th e   p e rfo rm a n c e   o f  th e   d e e p   n e u ra l  h a rd wa re   c h ip   b a se d   o n   m e m o r y ,   fli p   fl o p s,  d e lay ,   a n d   fre q u e n c y   p a ra m e ters .   Th e   d e sig n   is   sc a lab le  a n d   a p p l ica b le  t o   v a rio u s  F P G A  d e v ice s,  wh ic h   m a k e s   th e   wo r k   n o v e l .   F P G A - b a se d   n e u r o m o rp h i c   h a rd wa re   a c c e lera ti o n   p latfo rm   with   h ig h   sp e e d   a n d   l o w   p o we r   fo r   d isc re te  sp ik e   p r o c e ss in g   o n   h a rd wa re   with   g re a t   re a l - ti m e   p e rfo rm a n c e .   K ey w o r d s :   C o n tr o l lo g ic   Dee p   lear n in g   n eu r al  n etwo r k   Hid d en   lay er s   Per f o r m an ce   p ar am eter s   Sp ar tan - 6   FP GA   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ad esh   Ku m ar     Dep ar tm en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g in ee r i n g ,   Sch o o l o f   Ad v an ce d   E n g in ee r in g ,   Un iv er s ity   o f   Petr o leu m   an d   E n er g y   Stu d ies   ( UPES)   Deh r ad u n ,   I n d ia   E m ail:  ad esh m an av @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   Dee p   n eu r al   n etwo r k   ( DNN )   h as  a  lo t   o f   p o p u lar ity   d u e  to   wh ic h   is   u s ed   f o r   m o s t  o f   th e  ap p licatio n s .   L ik e  d etec tio n   a p p licatio n s ,   s p ec if ic  h ar d war e   d esig n   o f   m u ltil ay er   n eu r al  n etwo r k s   is   r eq u ir ed   wh en   a  g en er al  co m p u ter   is   n o t  s u f f icien t  as  it  h as  lim i tatio n s   in   s p ee d ,   co s t  o f   th e  ch ip ,   an d   co n s u m p tio n   o f   en er g y .   A  d ee p   lear n in g   m o d el  is   u s ed   h er e   wh ich   h as  two   h id d e n   lay e r s .   T h e   m u ltil ay e r   n eu r al  n etwo r k   is   m ad e  u p   o f   n u m e r o u s   lay e r s   b etwe en   th e  in p u t  an d   o u tp u t  lay er s ,   with   all  h id d en   lev els  b ein g   Fu lly   co n n ec ted .     Dee p   lear n in g   n e u r al  n etwo r k   im p lem en tatio n   o n   f ield   p r o g r am m ab le  g ate  ar r a y s   ( FP GAs )   p r esen ts   v ar io u s   ch allen g es,  in clu d i n g   s to r ag e,   r eso u r ce   r e q u ir em e n ts ,   an d   m e m o r y   u tili za tio n   [ 1 ] .   Dee p   n e u r al   n etwo r k s   ar e  m a d e  u p   o f   n u m er o u s   “ d ee p ”   an d   h id d e n   la y er s ,   an d   ea c h   o n e  o f   t h em   d o es  a  p ar ticu lar   task .   Dee p   lear n in g   is   lear n in g   a b o u t d if f er en t le v els o f   d ata  r ep r esen tatio n s   an d   th eir   u n d er ly i n g   d is tr ib u tio n   o f   th e   d ata  [ 2 ] .   DNNs  ar e  m o s t  u s e d   in   v i d eo   e d itin g   ap p licatio n s ,   s u ch   as  o b ject  d etec tio n   an d   r ea l - tim e  s p ee ch   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :   48 5 - 4 9 4   486   tr an s latio n .   DNNs  will  b ec o m e  in cr ea s in g ly   s ig n if ican t   i n   m ed icin e ,   r o b o tics ,   a n d   f i n an ce   f o r   wea th er   f o r ec asti n g   an d   d etec tio n   [ 3 ] .   DNNs   ar e  n o w  th e  b asis   f o r   m an y   m o d er n   ar tific ial  in tell ig en ce   ap p licatio n s   [ 4 ] .   Sin ce   th e  g r o u n d b r ea k in g   u s e  o f   DNNs  in   s p ee ch   r ec o g n itio n   an d   im ag e  r ec o g n itio n ,   th e  n u m b e r   o f   p lace s   wh er e  DNNs  h a v e  s k y r o ck eted .   T h ese  d ee p   n eu r al  n e two r k s   ar e   u s ed   in   a   wid e   r an g e  o f   a p p licatio n s ,   in clu d in g   s elf - d r i v in g   ca r s ,   ca n ce r   d etec tio n ,   an d   co m p licat ed   g am ep lay   [ 5 ] .   I n   m o s t  f ield s ,   m u ltil ay er   n eu r al  n etwo r k s   ca n   b e  d o n e  m u ch   m o r e  ac cu r ately   th a n   h u m a n s .   Ov er all,   m u ltil ay er   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k s   ( ANNs ) ,   p ar ticu lar ly   d ee p   n et wo r k s ,   p r o v ed   t h em s elv es  b etter   at  h an d lin g   co m p licated   ta s k s   s u ch   as  im ag e  id en tific atio n ,   s p ee c h   r ec o g n it io n ,   lan g u ag e   tr an s latio n ,   an d   o th er s ,   m ak in g   th e m   an   ess en tial  co m p o n en t   o f   m o d er n   ar tific ial  in tellig en ce   s y s tem s   [ 6 ] .   DNNs  ar e   u s ed   in   a   wid e  v ar iety   o f   ar t if icial  in tellig en ce   ap p licatio n s ,   in clu d in g   co m p u ter   v is io n ,   s p ee ch   r ec o g n itio n ,   r o b o tics ,   an d   m a n y   m o r e .   DNNs  ca n   ac h iev e  cu ttin g - ed g e   ac cu r ac y   o n   a  wi d e  v ar iety   o f   a r tific ial  in tellig en ce   task s   [ 7 ] .   T h e  c o m p u tati o n al  co m p lex ity   o f   th ese  n etwo r k s   is   r ath er   h ig h .   B etter   p e r f o r m an ce ,   h ig h e r   b a n d wid th ,   an d   d eter m in is tic  lo w  laten cy   ar e   ac h iev ed   with   th e  u s ag e   o f   FP GA  an d   HDL   in   th e  d esig n   o f   p r o g r a m m ab le  p r o ce s s o r s .   Par allel  p r o ce s s in g   an d   o p er atio n s   [ 8 ]   ar e  th e   f o u n d atio n   o f   t h e  ar c h itectu r es  o f   ANN  to   p r o ce s s   n eu r o n al  in f o r m atio n ,   r e g u lar   ch ip s   ar e  u n ab le  to   s u s tain   a  h u g e  n u m b er   o f   h ig h ly   s im u ltan eo u s   p r o ce s s es  [ 9 ] .   Sev er al   d is tin ct  p r o ce s s o r s   th at  en ab le  p ar allel  p r o ce s s in g   ar e  in clu d e d   in   th e  a r tific ial  in tellig en ce - b ased   h a r d war e  c h ip .   T h e  p r o b lem   s tatem en t  o f   th e   wo r k   is   to   d esig n   th e   d ee p   n e u r al  n etwo r k   h a r d war e  c h ip   a n d   esti m ate  its   p er f o r m an ce   o n   FP GA.   T h e  ch ip   is   d esig n ed   f o r   2 0   n eu r o n   in p u t  an d   ea ch   n e u r o n   in p u t  is   o f   8   b its .   E ac h   20 - n e u r o n   in p u t is m u ltip lied   b y   2 0   i n p u t w eig h ts   an d   ea ch   weig h t is 8 - b it so   wh en   th ese  2 0   in p u t w eig h ts   ar e  m u ltip lied   b y   2 0   n e u r o n   in p u t s   in   th e  m u ltip lier   it  g iv es  a   1 6 - b it  o u tp u t.   T h e  m u ltip le  d e m u ltip lex er   ( 1 ×2 )   is   u s ed   wh ich   a g ain   c o n v e r ts   1 0 - n eu r o n   o u tp u t  i n to   2 0 - n e u r o n   o u tp u t  w h ich   is   g i v en   to   th e  s e co n d   h id d e n   lay er .   A  co n tr o l   lo g ic   is   u s ed   i n   th is   n eu r o m o r p h ic   h ar d war e  ch i p   d esig n   wh ich   is   u s ed   to   f ee d   m u ltip lier   o u tp u t  t o   ea ch   in p u t  o f   th e  h id d en   lay er .   T h e  h id d en   lay er   o u tp u t  is   th en   g iv en   to   th e  m u ltip lex e r   wh ich   h as  2 0   in p u ts   an d   o n e  s in g le  o u tp u t.  T h e  m u x   h as  a  5 - b it  s elec tio n   lin e  wh ich   ca n   b e  u s ed   to   s elec t  an y   o f   th e  2 0   o u tp u ts   o f   th e  co n tr o l  lo g ic.   Har d war e  u tili za tio n   ch ar ac ter is tics   s u ch   as  s lice s   u s ed ,   lo o k - u p   tab les   ( L UT s ) ,   f lip - f lo p s   ( FF s ) ,   in p u t/o u tp u t  b lo ck s   ( I OB s ) ,   m em o r y ,   an d   to tal  p r o p ag atio n   laten cy   ar e  u s ed   to   ca lcu late  th e  d ee p   n eu r al  h a r d war e  ch i p ’ s   p er f o r m an ce .       2.   RE L AT E D  WO RK   Alth o u g h   s o f twar e  ca n   ea s ily   cr ea te  m u ltil ay er   n eu r al  n etwo r k   m o d els  o n   co m p u ter s ,   th er e  ar e   n u m er o u s   ch allen g es  wh en   d esig n in g   d ee p   n eu r al  n e two r k s   o n   s ilico n .   T h ese  ch allen g es  in clu d e   im p lem en tin g   th e  m u ltip licatio n   o f   in p u t  with   weig h ts   at  e ac h   lay er ,   d esig n i n g   t h e  s to r i n g   n etwo r k   weig h ts ,   an d   ac tiv atio n   f u n ctio n ,   an d   s e lectin g   an   ap p r o p r iate   n u m b er   f o r m at  f o r   ca lc u latio n s .   T o   ac h iev e  p e r f o r m an ce   ef f icien cy ,   ea c h   lay e r   in   a  d ee p   ANN  ar ch itectu r e,   wh ich   will  b e  th e  f o cu s   o f   th is   wo r k ,   n ec ess itate s   its   o wn   in d ep en d en t  s p ac e  f o r   m em o r y   an d   its   weig h t.  I n   a  d ee p   n etwo r k   th at  h as  two   o r   m o r e  h id d en   lay er s ,   th e   m em o r y   r eq u ir e m en t  f o r   th e  weig h t  m atr ices  o f   th e  e n tire   n etwo r k   in cr e ases   at  th e  f astes t  as  its   n etwo r k ’ s  s ize  an d   m em o r y   ac ce s s es  g r o w.   Fu r th er m o r e,   c o m p u tatio n s   with in   ea ch   lay er   s h o u ld   b e   e x ec u ted   in   p a r allel  f o r   ap p licatio n s   r e q u ir in g   h ig h   s p ee d .   T h ese  ch ar ac ter is tics   h av e  a  s u b s tan tial  in f lu en ce   o n   th e  ef f icien cy   an d   p er f o r m an ce   o f   DNNs.  I n   th is   co n tex t,  th e  FP GA  is   v ia b le  f o r   im p le m en tin g   a  DN N  ac ce ler ato r .   T h e   d esig n in g   o f   d ee p   ANN  an d   th e  u s e  o f   FP GA  is   v er y   p r e v alen t  in   r esear ch   a r ea s   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .  c o n v o lu tio n   n eu r al  n etwo r k s   ( C NNs)  h av e  b ee n   u s ed   f o r   r ea l - tim e  em b ed d e d   s y s tem s ,   ex p lo r in g   th e  im p ar tial   class if icatio n   o f   cu ttin g - ed g e  s y s tem - on - c h ip s   [ 1 2 ] .   M u lti - d im en s io n al  tr a d e - o f f s   a r e  in v esti g ated   to   co n f ig u r e  p r o g r am m ab le  ac c eler ato r s   f o r   n eu r al  in ter p r et atio n   u s in g   th e  f in est  s o f twar e  lib r ar ies.  T h e   f r am ewo r k   is   o p en   s o u r ce   to   p r o m o te  f ai r   b e n ch m ar k in g   ass ess m en ts .   I t  h as  b ec o m e  in c r e asin g ly   co m m o n   to   d esig n   m u ltil ay er   p er ce p tr o n   n eu r al  n etwo r k s   o n   r ec o n f i g u r ab le  h ar d war e   to   ca r r y   o u t  a  wid e  r a n g e  o f   ap p licatio n s ,   in clu d in g   p atter n   r ec o g n itio n   an d   class if icatio n .   T h e  p u r p o s e  o f   th e  r esear ch   b y   Hu y n h   [ 1 3 ]   was   to   in v esti g ate  th e  co m b in ed   im p ac t  o f   n eu r al  n etwo r k   s ize  an d   d ec r ea s ed   p r ec is io n   n u m b er   f o r m ats,  wh ich   ar e  u tili ze d   f o r   th e  r e p r esen t atio n   o f   t h e  id ea l  p a r am eter s ,   o n   th e   r ec o g n itio n   r ate  o f   a  h an d wr itten   d ig it   r ec o g n itio n   s y s tem   th at   is   b ased   o n   n e u r al  n etwo r k s .   ANN  a r ch itectu r e  [ 1 4 ]   was  ev alu ate d   o n   Vir tex - 5   FP GA  f o r   p atter n   r ec o g n itio n   an d   te s ted   f o r   s ca lab ilit y   an d   h a r d w ar e  r eso u r ce   u s e.   Dee p   lea r n i n g   is   n o w  t h e  m o s t  ad v an ce d   s o lu tio n   f o r   alm o s t   all  s ig n if ican t  m ac h in e - lear n in g   task s   in   a  wid e  r an g e  o f   d o m ain s   [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ] .   Dee p   lear n in g   tech n i q u es  o u tp er f o r m   ty p ical  m ac h in e   l ea r n in g   al g o r ith m s   t h at  r eq u ir e  h u m a n   f ea tu r e  ex tr ac tio n   ( h an d cr af ted   f ea tu r es)   [ 1 7 ] .  Dee p   lear n in g   m o d els  ex tr ac t  h ie r ar ch ical  f ea tu r es  an d   p er f o r m   b etter   as th e  am o u n t o f   d ata  in cr e ases   [ 1 8 ] .   T h er e  ar e  v ar io u s   d ee p   lear n in g   m eth o d s   an d   ar ch itec tu r es a p p lied   in   th e   d esig n ,   s u ch   as  m u lti - lay er   p er ce p tr o n   ( ML P),   d ee p   b eli ef   n etwo r k   ( DB N) ,   au to en c o d er   ( AE ) ,   C NNs,  r ec u r r en t   n e u r al  n etwo r k   ( R NN)   with   lo n g   s h o r t - ter m   m em o r y   ( L STM )   an d   g ated   r e cu r r en t   u n its   ( GR U) ,   g en er ativ e  ad v er s ar ial  n etwo r k   ( GAN) ,   d ee p   r ein f o r ce m en t   lear n in g   ( DR L )   [ 1 9 ] .   T h ese  m o d els  h av e   s p an n e d   a  wid e  r an g e  o f   f ield s   an d   ap p licatio n s .   Dee p   lear n in g   ar c h itectu r es  h av e  en ab led   a u to n o m o u s   d r iv in g   ( AD)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Desig n   a n d   imp leme n t a tio n   o f d ee p   n e u r a l n etw o r k  h a r d w a r e  ch ip   a n d   its   p erfo r ma n ce   ...   ( A r u n a   P a n t )   487   s y s tem s   [ 2 0 ]   to   ac q u ir e  a  h ig h   lev el  o f   p r ec is io n   in   th ei r   p er f o r m an ce ;  th ese  s y s tem s   ar e  co m p r is ed   o f   n u m er o u s   p er ce p tio n - lev el   ta s k s .   T r ad itio n al  s u p e r v is ed   le ar n in g   m eth o d s   ar e  n o   lo n g e r   ap p licab le   to   th e   m an y   task s   th at  m ak e  u p   au to n o m o u s   d r iv i n g   s y s tem s ,   ex ce p t  f o r   p er ce p tio n .   I n   co m p u ter   v is io n   ap p licatio n s ,   C NN  m o d els h a v e  d em o n s tr ated   e n co u r ag in g   o u tco m es  in   ar ea s   in clu d in g   r o b o tics ,   au to n o m o u s   v eh icle  v is io n   s y s tem s ,   an d   d r o n e   n av ig ati o n   [ 2 1 ] .   I n   h e alth ca r e,   C NNs  h av e  also   o u tp er f o r m ed   o th e r   m eth o d s ,   esp ec ially   f o r   im ag e  id en tific atio n .   I t   h a s   b e en   u s ed   to   d e te c t  t u m o r s   o r   o th e r   t y p e s   o f   le s i o n s   b y   m o r e  e x p e r ie n c ed   r ad i o lo g i s t s   [ 2 2 ] .  B r a i n   i m ag e s   h a v e   b e en   u s ed   f o r   h u m a n s   f o r   m ag n e t i c  r e s o n an c e  i m ag i n g   ( M R I )   t h a t   d e t e c t s   d i s e a s e  A l z h e i m er ’ s   w i t h   th e   h e l p   o f   C N N   [ 2 3 ] .   D e e p   l e a r n i n g   m e th o d o lo g i e s   [ 2 4 ]   h av e   p r o v ed   e f f e c t i v e   i n   a d d r e s s i n g   ar t i f i c ia l   i n t e l l ig en c e   d if f i cu l t i e s ,   wh i l e   F P G A s   h a v e   b e e n   u s e d   to   i m p r o v e   r e c o n f ig u r a b le  c o m p u t er   h ar d w ar e   a n d   s o f t w a r e   f o r   a r ti f i c i a l   in t e l l i g en c e   d e s ig n .   Mu l t i l ay e r   N e tw o r k s   h a v e   b e en   d e s i g n e d   u s in g   F P G A   [ 2 5 ] .   Gr a p h i c   p r o c e s s i n g   u n i t s   ( G P Us )   a r e   u n s u i t a b l e  f o r   em b ed d ed   ap p l ic a t i o n s   d u e  t o   t h e ir   h ig h - p o we r   co n s u m p t i o n .   M an y   a ca d em i c s   h av e   e x p lo r ed   t e ch n iq u e s   to   c r e a t e   d e ep   n eu r a l   n e t w o r k s   o n   lo w - p o w er   h a r d w a r e  [ 2 6 ] .   T h e   m o s t   ex p en s i v e   o p er a t i o n s   in   d ee p   c o n v o lu t io n a l   n eu r a l   n e t w o r k s   ( D C N N s )   ar e   g e n e r a t e d   b y   d e ep   C N N s ,   w h ic h   a r e   m ad e   u p   o f   n u m e r o u s   l a y er s   o f   th r e e - d i m en s i o n a l  co n v o lu t i o n s ,   ea c h   o f   wh i c h   h a s   b e t w e en   te n s   an d   h u n d r e d s   o f   f i l t e r s .   T h e   r e s t r i c t io n   o f   f l o w i n g   d a ta   i n   an d   o u t   o f   t h e   h a r d w a r e   ch ip   a c c e l er a t o r ,   w h i c h   i s   s y n th e s i z ed   o n   X i l in x   Z y n q - 7 0 0 0 ,   i s   a  c h a l l en g e   f o r   s y s t e m s   t h a t   r u n   D C N N s .   T h e s e   s y s t e m s   ar e  r e q u i r ed   t o   p a s s   3 D   i n p u t   m a p s   t o   t h e   h ar d w ar e  a c c e l e r a to r s   t o   p e r f o r m   c o n v o l u t i o n s   [ 2 7 ] .   A n   i m p l e m e n t a t io n   o f   H ig h - L ev e l  S y n th e s i s   w a s   e m p l o y e d   o n   a  V i r t e x - 6   F P G A   b o a r d ,   an d   C N N   w a s   u t i l i z e d   [ 2 8 ]   to   a n a ly z e   t h e   d e s i g n   f lo w .   T h e   F PG A   r e s o u r c e s   c an   b e  d e c r ea s e d   b y   u p   to   1 3   t i m es   w h e n   co m p a r ed   to   a cc e l e r a t o r s   th a t  u s e   tr ad i t i o n a l   s cr a t c h p a d   m e m o r i e s ,   w h i l e   y e t   m a i n ta i n in g   t h e  s am e   l ev e l   o f   p e r f o r m a n c e .   A   f i x e d   p o i n t  D N N   i s   d e s i g n ed   o n   F P G A   a n d   u s e s   a n y   ex t e r n a l  m em o r y .   I t s   p o w e r   c o n s u m p t io n   an d   t i m e  o f   e x e cu t i o n   a r e  co m p a r e d   w i t h   G P U - b a s e d   i m p l e m e n t a t io n   [ 2 9 ] .   T o   c o n s t r u c t   f e e d - f o r w ar d   d e e p   n eu r a l   n e t wo r k s   i n   r e a l - t im e ,   GP U s   a r e   c o m m o n l y   u s e d   d u e   t o   t h e   h i g h   a m o u n t   o f   a r i t h m e t i c  a n d   m e m o r y   o p e r a t i o n s   r e q u i r ed   [ 3 0 ] .   T h e   im p l e m e n t a t io n   o f   an   o p t i m iz e d   d e ep   l ea r n in g   a r c h i t e c t u r e  w a s   c ar r i ed   o u t  o n   a  p a r a l l e l   co m p u t in g   p l a tf o r m .   T h i s   a r ch i t e c tu r e  f e a t u r e d   f l e x ib l e   l ay e r   t o p o lo g i e s   a n d   f a s t   m a t r ix   o p e r a ti o n   k e r n e l s .   T h i s   i s   t h e   d e s i g n   to   s u p p o r t   m in i m u m   h a r d w a r e   u t i l i z a t io n   [ 3 1 ] .   T h e   i n t eg r a t i o n   o f   s e v er a l   t y p e s   o f   d e ep   a r c h i t ec t u r e s   i n t o   a   u n i f i ed   n e u r a l  t r a i n in g - t e s t i n g   s y s t e m   i s   a cc o m p l i s h e d   b y   th e   im p l em e n t a t i o n   o f   l ay e r - w i s e   p r o ce d u r e s   t h a t  h av e  b e en   m e t i c u lo u s l y   d e s i g n e d .   A   n eu r a l  n e t wo r k   h a r d w a r e   m o d el   c a n   b e   d e s i g n e d   o n   F P G A .   T h i s   n eu r a l  m o d e l  c o n t a in s   m o r e  t y p e s   o f   la y er s ,   c o n n e c t io n s ,   an d   d a t a  [ 3 2 ] .   R e t r a i n in g   v i a  b ac k p r o p ag a ti o n   wa s   c r ea t e d   a s   a n   a l t e r n a t iv e   t o   d i r ec t   w e i g h t   q u a n t i za t i o n   [ 3 3 ] .   F e e d f o r w a r d   D N N s   w i t h   s ev e r a l   h i d d e n   l ay e r s   f u n c t i o n   w e l l   i n   m a n y   r eq u e s t s ,   b u t  t h e y   r e q u i r e  co m p le x   h a r d w a r e .   T h e  s y s t e m   h a r d wa r e  co m p le x i ty   c a n   b e  m i n i m i ze d   b y   r e d u c i n g   t h e   we i g h t s   an d   s i g n a l   wo r d   le n g t h .   Q u a n t i z e d   we i g h t s   a n d   f i x ed - p o i n t   s ig n a l s   ar e   u s e d   in   b a c k p r o p a g a t io n   f o r   r e t r a in i n g   an d   o u t p u t   co m p u ta t i o n .   H o w ev er ,   p r ec i s i o n   n u m b e r s   a r e  u s ed   t o   c h a n g e   n e t w o r k s   [ 3 4 ] .   T h e   d e v e l o p ed   n e t wo r k s   t y p i c a l ly   u s e d   2   t o   8   b i t s   f o r   w e i g h t s   an d   m o r e   t h a n   7   b i t s   t o   r e p r e s e n t  s i g n a l s   i n   a n a lo g   o r   h i g h - p r e ci s i o n   f ix e d   p o i n t s   [ 3 5 ] .   L i m i t ed   wo r k   h a s   b e en   d o n e   in   th e  d o m a i n   o f   h a r d w a r e   c h ip   d e s i g n   an d   s y n th e s i s   o n   th e   s p ec i f i c   h a r d wa r e   s p e c i f i ca l l y   t ar g e t in g   an y   F P G A  h a r d w a r e   a n d   d ee p   n eu r a l   n et w o r k   p r o c e s s i n g .   T h e   p r o b l em   s t a t e m en t   o f   t h e   p r e s e n t ed   w o r k   i s   t o   d e s i g n   t h e   s c a l ab l e  h ar d w ar e   c h ip   o f   a  d e ep   n eu r a l  n e t wo r k   an d   e v a lu a t e  t h e  s y s t e m   p er f o r m a n c e  i n   t e r m s   o f   d e l a y ,   f r eq u en c y ,   L UT s ,   an d   m e m o r y .         3.   M E T H O DS   T h e  s y s tem   d esig n   in clu d es  a n   in p u t  lay er ,   two   h id d e n   lay e r s ,   an d   o n ly   o n e  o u tp u t   lay er .   T h e  d esig n   o f   th e   d ee p   n e u r al  h ar d war e  ch ip   co n s is ts   o f   h id d en   lay er s   wh ich   ar e  m o r e  th an   o n e.   T h e   two   h id d en   lay er s   ar e  u s ed ,   an d   m u ltip lier s   ar e  u s ed   f o r   m u ltip ly in g   th e  n e u r o n   in p u ts   with   th e  n eu r o n ’ s   we ig h t,  ap ar t  f r o m   th e   (2 × 1 )   m u ltip lex er   c o m p o n en t,   th e  d em u ltip le x er   ( 1 × 2 )   c o m p o n en t  a n d   o n e  ( 8 × 1 )   m u ltip l ex er   co m p o n e n t  ar e   u s ed .   Fig u r e   1   p r esen ts   th e  b asic  b u ild in g   b lo ck s   f o r   th e   m u ltil ay er   Feed - f o r war d   ar tifi cial  n eu r al  n etwo r k   ( MFFANN) .   F ig u r e  2   r ep r es en ts   th e  d esig n   o f   a  m u ltil ay er   n eu r al  n etwo r k .   I t  co n s is ts   o f   o n e  in p u t,  two   h id d en   la y er s ,   an d   o n e  o u tp u t  lay er .   T h e  d esig n   o f   th is   m u ltil ay er   ANN  is   d o n e  in   VHSI C   Har d war e  Descr ip tio n   L an g u ag e  ( VHDL )   u s in g   a n   FP GA  Sp ar tr an - 6   d ev ice.   T h e   m ain   p ar ts   o f   th e  s y s tem   d esig n   ar e   as  f o llo ws .   −   Mu ltip lier : T h e  in p u t la y er   is   im p lem en ted   u s in g   a  m u ltip lier   th at  m u ltip lies   ( 0 - 1 9 )   n eu r o n   in p u t w ith   2 0   n eu r o n   weig h ts   an d   ea c h   in p u t  co n s is ts   o f   8 - b it  n eu r o n   i n p u t  an d   g iv es  a  s in g le  1 6 - b it  o u tp u t  af te r   m u ltip licatio n .   X 0 ,   X 1 ………. X 19   as  th e  in p u ts   o f   n eu r o n s ,   an d   W 0 ,   W 1 …….   W 19   as  th e  weig h ts   b y   m u ltip ly in g   th is   in   th e   m u ltip li er   we  g et  th e  o u tp u t Y 0 , Y 1 … ….   Y 19 ,   wh ich   is   1 6 - b it.   −   C o n tr o l  L o g ic:  T h e  co n tr o l  lo g ic  is   u s ed   f o r   th e  h i d d en   la y e r .   T h e  o u tp u t   o f   t h e  m u ltip lier ,   wh ich   is   Y 0 ,  Y 1 ,   Y 2 …….   Y 19   is   g iv en   to   th e  co n tr o l  lo g ic  th e  in p u t   o f   th e  co n tr o l  lo g ic  is   tak en   as  M 0 ,   M 1 ,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :   48 5 - 4 9 4   488   M 2 ……. M 19   ea ch   is   o f   1 6 - b it  in p u t  an d   N 0 ,   N 1 ,   N 2 …….   N 19   is   th e  o u tp u t  o f   th e   co n tr o l  lo g ic  wh ich   i s   also   1 6 - b it.  Af ter   th is ,   th e  2 ×1   m u ltip lex er   is   u s ed .   −   Mu ltip lex er   ( 2 × 1 ) :  T h e r e  ar e  2 0   o u tp u ts   o f   t h e  co n tr o l  lo g ic  ea ch   p air   o f   two   o u tp u ts   is   g iv en   to   a   ( 2 ×1 )  m u ltip lex er ,   s o   th e   2 0   o u tp u ts   o f   th e  co n tr o l lo g ic  n o w  b ec o m e  1 0   o u tp u ts .   −   Dem u ltip lex er   ( 1 × 2 ) :  T h e  1 0   o u tp u ts   o f   th e  ( 2 × 1 )   m u ltip lex er   ar e  ag ain   g iv en   to   th e  ( 1 × 2 )   d em u ltip lex er   w h ich   n o w  b ec o m es  2 0   o u tp u ts ,   an d   th e  o u tp u t  o f   th e   ( 1 × 2 )   d em u ltip lex er   is   ag ain   g iv e n   to   co n tr o l  lo g ic  wh ich   is   th e  s ec o n d   h id d en   lay e r .   T h e  2 0   o u tp u ts   o f   th e  co n tr o l  lo g ic  ar e  g iv en   to   th e  2 0   to 1   d em u ltip lex er   s o   we  g et  t h e  s in g le  o u tp u t  o f   1 6   b its   f r o m   th is .             Fig u r e  1 .   Mu ltil ay er   f eed - f o r w ar d   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k   ( MFFANN)           Fig u r e  2 .   B lo ck   d iag r am   r ep r e s en tatio n   o f   MFFANN       Ad d er s   an d   m u ltip lier s   ar e  im p o r tan t  c o m p o n en ts   th at  ar e   u tili ze d   in   ANNs  to   ca r r y   o u t  t h e  cr u cial   m ath em atica l  o p er atio n s   th at  ar e  r eq u ir ed   f o r   p r o ce s s in g   an d   lear n in g .   T h is   is   a  co m p r eh en s iv e  lo o k   at  th e   r o les  th at  th ey   p lay   [ 3 5 ] .   I n   a n   ANN  ea ch   n eu r o n   g ets  s ev e r al  in p u ts ,   ea ch   o f   wh ich   h as  a  weig h t  ass o ciate d   with   it.  T h e  n et  in p u t  to   th e  n eu r o n   is   f o r m ed   b y   ad d i n g   u p   all  th ese  co n tr ib u tio n s   to   th e  n eu r o n .   E ac h   in p u t  th at  is   r ec eiv ed   b y   a  n e u r o n   is   m u ltip lied   b y   th e  weig h t  th at  co r r esp o n d s   to   th at  in p u t.  T o   alter   th e  in f lu en ce   th at  ea ch   in p u t  h as  o n   th e  o u t p u t  o f   th e   n eu r o n   is   an   e x tr em ely   im p o r tan t  s tep .   His   m u ltip licatio n   tak es  p lace   f o r   e v er y   in p u t  th at   th e  n eu r o n   r ec eiv es.   Mu ltip lier s   ar e  u tili ze d   in   t h e  p r o ce s s   o f   ca lcu lati n g   g r ad ien ts   d u r in g   th e  tr ain in g   o f   ANNs  th at  ar e  tr ain ed   u s in g   b ac k p r o p ag a tio n .   T h e  p r o ce s s   o f   m u ltip ly in g   d e r iv ativ es  is   p er f o r m ed   to   ca lcu late   th e   e r r o r   g r a d ien t  r e g ar d i n g   t h e  weig h ts   an d   in p u ts .   I t  is   ess en tial  f o r   h ar d war e         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Desig n   a n d   imp leme n t a tio n   o f d ee p   n e u r a l n etw o r k  h a r d w a r e  ch ip   a n d   its   p erfo r ma n ce   ...   ( A r u n a   P a n t )   489   ac ce ler ato r s   s u ch   as  FP GAs   an d   ap p licatio n - s p ec if ic  in teg r ated   cir cu its   ( ASI C )   th at  ar e  u s ed   f o r   n eu r a l   n etwo r k s   to   h av e   ad d er s   a n d   m u ltip lier s   th at  ar e  im p lem en t ed   p r o p er ly   an d   ef f icien tly .   A NNs  ca n   h av e  t h eir   s p ee d   g r ea tly   in cr ea s ed   a n d   th eir   p o wer   co n s u m p tio n   d r a m atica lly   d ec r ea s ed   if   th ey   ar e  d esig n ed   with   o p tim ized   ad d er s   an d   m u ltip lier s ,   s u ch   as  ca r r y - lo o k ah ea d   ad d er s   an d   b o o t h   m u ltip lier s ,   r esp ec tiv ely .   T h e   co n ce p t  o f   p a r allelis m   is   u tili ze d   in   h a r d war e  im p lem en tati o n s .   T h e  i n f er en ce   an d   tr ain in g   p r o ce s s es  ca n   b e  s p ed   u p   b y   d esig n i n g   m u ltip lier s   an d   a d d er s   t o   r u n   i n   p ar allel  [ 3 6 ] .  T h is   allo ws  f o r   th e  s im u ltan e o u s   co m p u tatio n   o f   m a n y   n eu r o n   o u tp u ts ,   wh ich   s p ee d s   u p   th e   p r o ce s s .   T h e  ch a r ac ter is tics   o f   a  n eu r al  n etwo r k   r ef er   to   th e   v ar iab les  a n d   q u ali ties   o f   th e   d ataset  [ 3 7 ] .   T o   e n h an ce   th e   ac cu r ac y   o f   y o u r   m o d el,   it  is   cu s to m ar y   to   u s e  a  s u b s et  o f   v ar ia b les.  T h er ef o r e ,   th e  attr i b u tes  o f   a   n e u r al  n etwo r k   ar e   in   th e  i n p u t  l ay er ,   r ath er   th a n   th e   n o d es in   th e  h id d e n   lay er .   I n   ANNs,  th e  b asic a ct iv ities   o f   s u m m in g   weig h te d   in p u ts   an d   co m p u tin g   g r ad ien ts   ar e  p er f o r m ed   b y   ad d er s   an d   m u ltip lier s ,   wh ich   ar e  ess en tial  co m p o n e n ts   f o r   co n d u ctin g   th ese  o p er atio n s   [ 3 8 ] .   T h e  p e r f o r m an ce   an d   en er g y   ef f icien cy   o f   n eu r al  n etw o r k   h a r d war e  ac ce ler ato r s   ar e  d ir ec tly   co r r elate d   to   th e  ef f icien c y   with   wh ich   th ey   ar e  im p lem e n ted .       4.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N    T h e  d esig n   s tr u ctu r e  o f   a  m u ltil ay er   f ee d - f o r war d   n eu r al   n etwo r k   h ar d war e  ch ip   co n s is t s   o f   th e   m u ltip lier ,   co n tr o l  lo g ic,   m u ltip lex er s   ( 2 × 1 ) ,   d em u ltip l ex er s   ( 1 × 2 ) ,   an d   an o th e r   m u ltip lex er   ( 2 0 × 1 )   co m p o n en ts .   Fig u r e  3   s h o ws th e  R T L   r ep r esen tatio n   o f   a  m u ltil ay er   n eu r al  n etwo r k .             Fig u r e  3 .   R T L   o f   m u ltil ay er   A NN       Fig u r e  4   p r esen ts   th e  s im u l atio n   in p u ts   v er if ied   i n   th e   s im u latio n   an d   Fig u r e  5   p r esen ts   th e  s im u latio n   wav ef o r m   o u tp u ts   o f   a  m u ltil ay er   n eu r al  n etwo r k   s im u lated   in   th e  d esig n .   Fig u r e  6   p r esen ts   th e   m u ltil ay er   h ar d war e  c h ip   u tili za tio n   ch ar t,  an d   Fig u r e  7   p r e s en ts   th e  m u ltil ay er   h ar d war e  ch ip   u tili za tio n   p ie  ch ar t.  T h e   u s ag e  o f   R T L   is   t o   p r esen t  t h e  co m p lete  d etail s   o f   th e  i n p u t  a n d   o u tp u t  p in s   in   th e  d esig n .   T h e   s im u latio n   in p u t a n d   o u tp u t p i n s   with   s tim u li in p u ts   ar e  s h o wn   in   th e  wav ef o r m s   in   th e   f o r m   o f   b in ar y   d ata.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :   48 5 - 4 9 4   490           Fig u r e  4 .   Simu latio n   wav ef o r m   o f   in p u ts   f o r   m u ltil ay er   AN N       Neu r o n _ X 0 _ i n p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it  in p u t  o f   t h e  n e u r o n   X 0   an d   Ne u r o n _ W eig h t_ W 0 _ in p u t   ( 7 :0 )   p r esen ts   th e   co r r esp o n d i n g   weig h t  in p u t.   Neu r o n _ X 1 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it   in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 1   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 1 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 2 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it  in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 2   a n d   Neu r o n _ W eig h t_ W 2 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 3 _ in p u t  ( 7 : 0 )   p r esen ts   th e   8 - b it  in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 3   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 3 _ in p u t   ( 7 :0 )   p r esen ts   th e   co r r esp o n d i n g   weig h t  in p u t.   Neu r o n _ X 4 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it   in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 4   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 4 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 5 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it  in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 5   a n d   Neu r o n _ W eig h t_ W 5 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Desig n   a n d   imp leme n t a tio n   o f d ee p   n e u r a l n etw o r k  h a r d w a r e  ch ip   a n d   its   p erfo r ma n ce   ...   ( A r u n a   P a n t )   491   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 6 _ in p u t  ( 7 : 0 )   p r esen ts   th e   8 - b it  in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 6   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 6 _ in p u t   ( 7 :0 )   p r esen ts   th e   co r r esp o n d i n g   weig h t  in p u t.   Neu r o n _ X 7 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it   in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 7   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 7 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 8 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it  in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 8   a n d   Neu r o n _ W eig h t_ W 8 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 9 _ in p u t  ( 7 : 0 )   p r esen ts   th e   8 - b it  in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 9   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 9 _ in p u t   ( 7 :0 )   p r esen ts   th e   co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Ne u r o n _ X 10 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e   8 - b it  i n p u t  o f   th e  n eu r o n   X 10   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 10 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 11 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it  in p u t   o f   th e   n eu r o n   X 11   an d   Neu r o n _ W ei g h t_ W 11 _ in p u t   ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d i n g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 12 _ in p u t   ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it   in p u t  o f   th e   n eu r o n   X 12   a n d   Neu r o n _ W eig h t_ W 12 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 13 _ i n p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it  in p u t  o f   th e  n e u r o n   X 13   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 13 _ in p u t  ( 7 : 0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 14 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it  in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 14   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 14 _ in p u t   ( 7 :0 )   p r esen ts   th e   co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Ne u r o n _ X 15 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e   8 - b it  i n p u t  o f   th e  n eu r o n   X 15   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 15 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 16 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it  in p u t   o f   th e   n eu r o n   X 16   an d   Neu r o n _ W ei g h t_ W 16 _ in p u t   ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d i n g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 17 _ in p u t   ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it   in p u t  o f   th e   n eu r o n   X 17   a n d   Neu r o n _ W eig h t_ W 17 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 18 _ i n p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it  in p u t  o f   th e  n e u r o n   X 18   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 18 _ in p u t  ( 7 : 0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d in g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ X 19 _ in p u t  ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  8 - b it  in p u t  o f   th e  n eu r o n   X 19   an d   Neu r o n _ W eig h t_ W 19 _ in p u t   ( 7 :0 )   p r esen ts   th e  co r r esp o n d i n g   weig h t  in p u t.  Neu r o n _ m id _ lay er _ s o u r ce _ ad d r ess   ( 4 :0 )   p r esen ts   th e  ad d r ess   o f   th e  m id - la y er   b lo c k s   to   s u p p o r t  th e  d esig n .   Neu r o n _ m id _ lay er _ d esti n atio n _ ad d r es s   ( 4 :0 )   p r esen ts   th e  d esti n atio n   ad d r ess   o f   th e   m i d   lay er s   to   s u p p o r t  th e  d esig n .   Mu x 2 1 _ s elec to r   is   u s ed   to   s elec t  th e  s p ec if ic  m u ltip lex er   o f   th e  b lo ck   i n   in p u t.  Dem u ltip lex e r 1 2 _ s elec to r   is   u s ed   to   s elec t  th e  s p ec if ic  d em u ltip lex er   o f   th e   b lo ck   in   o u tp u t.  Po r t_ a d d r ess   ( 4 :0 )   is   th e  ad d r ess   to   s u p p o r t  th e  m em o r y   b lo ck s .   T h e  co m p lete  o u tp u t  o f   t h e   en tire   m o d u le  is   tak en   b y   n eu r o n _ o u tp u t ( 1 5 :0 ) .           Fig u r e  5 .   Simu latio n   wav ef o r m   o u tp u ts   o f   m u ltil ay er   ANN     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :   48 5 - 4 9 4   492       Fig u r e  6 .   Mu ltil ay er   h ar d war e   ch ip   u tili za tio n   ch a r t           Fig u r e  7 .   Mu ltil ay er   h ar d war e   ch ip   u tili za tio n   p ie  c h ar t       T ab le  1   lis ts   th e  h ar d war e  p ar am eter s   u tili ze d   b y   th e  m u ltil ay er   h ar d war e  ch ip   an d   th e  d ev ice   u tili za tio n   r ep o r t  f o r   th is   n e u r o m o r p h ic  h a r d war e  c h ip   is   ta k en   f r o m   Xilin x   s o f twar e.   T h e  n u m b er   o f   s lices  u s ed   is   9 6 0   in   th e  m u ltil ay er   h ar d war e   ch ip ,   wh ich   is   o u t  o f   a   to tal  o f   4 8 0 0 ,   M o r eo v e r ,   th e  n u m b er   o f   s lices   L UT s   u s ed   is   1 5 4 7   o u t o f   a  to tal  o f   2 4 0 0 .   I n p u t - o u tp u ts   u s e d   ar e  5 3   o u t  o f   a  to tal  o f   1 0 2 .   T h e  n u m b er   o f   DSP  elem en ts   u s ed   is   8   o u t  o f   a   to tal  o f   8 .   T h e   to tal  d ela y   u s e d   in   m u ltil ay er   h ar d war e  ch i p s   is   1 1 . 6 8 8 n s .   T h e   m em o r y   u tili ze d   f o r   th e   m u lti lay er   h a r d war e   ch ip   is   4 6 6 7 9 4 4   k ilo b y tes.   T h e   tar g et   d ev ic e  u s ed   is   s p ar tan - 6  FP GA  with   th e  d ev ice  ( XC 6 T S4 - 2 T QG1 4 4 )   f o r   s im u latio n   an d   s y n th esis .   T h e  Sp ar tan - 6   f am ily   o f f er s   th e   m o s t  ad v an ce d   ca p ab ilit ies  f o r   s y s tem   in teg r atio n   at  th e  l o west  p o s s ib le  o v er all  co s t  f o r   ap p licatio n s   th at  r eq u ir e  h i g h   v o l u m e  ca p ac ity .   I t  is   d ev elo p ed   u s in g   a n   estab lis h ed   lo w - p o wer   c o p p er   p r o ce s s   tech n iq u e  th at   o p er ates  at  4 5   n an o m eter s .  D NNs  r eq u ir e  h ig h   m em o r y - to - p r o ce s s in g   u n it  d ata   tr an s m is s io n   r ates.  Me m o r y   b an d wid th   ca n   lim it  lar g e - s c ale  m o d els  with   m an y   lay er s   an d   p ar am eter s .   W h en   tr ain ed   an d   r u n   o n   n o n - o p tim al  h ar d war e,   DNNs  ca n   u s e  a  lo t  o f   p o wer .   T h is   af f e cts  d ata  m o b ile,   ce n ter s ,   an d   em b ed d e d   d ev ices   s in ce   en er g y   ef f icien cy   is   cr u c ial.   W h en   wo r k in g   with   lar g er   m o d els  o r   m o r e  co m p lex   DNN  task s ,   s ca lab ilit y   r eq u ir es  ef f icien t  p ar alleliza tio n   ac r o s s   n u m er o u s   p r o ce s s in g   u n its .   Du e  to   d ee p   n eu r al  n e two r k s ’   co m p le x ity   an d   r eso u r ce   r eq u ir em en ts ,   h a r d war e  im p lem e n tatio n   h as b e co m e  h ar d er .         T ab le  1 .   Har d war e  p ar a m eter s   u tili ze d   b y   m u ltil ay er   h ar d wa r e  ch ip   P a r a me t e r   V a l u e   A N N   C h i p   si z e   ANN - 20   M u l t i p l i e r   u se d   20   Ta r g e t   d e v i c e   ( F P G A )   S p a r t a n - 6 ( x c 6 s t x 4 - 2 t 9 g 1 4 4 )   U sed   LU Ts  F F P s   3 5 2 / 2 1 5 5   S l i c e s   9 6 0 / 4 8 0 0   D e l a y   ( n s)   6 . 3 5 9   I O B s   5 3 / 1 0 2   M e m o r y   ( K B )   4 6 6 5 3 0 4   960 353 352 0 200 400 600 800 1000 1200 S l i c e  re g i s te rs N u mb e r o f I O B s Us e d  L UT -F F s  ( fli p -flo p ) Par ame te r s   u ti l i ze d S i ze  ( M u l ti l y er   A N N   n euro n  i n p u t  - 20) Har dw ar e  pa r ameters   ut i l i z ed 20% 16,33% 51,96% 100% F PG A   H ar d war e   Uti l i zati o n S l i c e  re g i s te rs L UT  F F s IO B s DS P  B l o c ks Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Desig n   a n d   imp leme n t a tio n   o f d ee p   n e u r a l n etw o r k  h a r d w a r e  ch ip   a n d   its   p erfo r ma n ce   ...   ( A r u n a   P a n t )   493   5.   CO NCLU SI O N    T h e   m o d el  o f   n e u r al  n etwo r k s   is   ca lled   a  d ee p   n eu r al  n etwo r k   wh en   it  u s es  two   o r   m o r e  h id d e n   lay er s .   DNN  ch ip s   b ased   o n   FP GA s   ca n   b e   o p tim ized   f o r   p ar ticu lar   n eu r al  n etwo r k   m o d els  o r   task s ,   wh ic h   co u ld   lea d   to   b etter   p er f o r m a n ce   th an   g en e r ic  alter n ativ es.   I t  is   d is tin g u is h ed   b y   th e   u ti lizatio n   o f   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k s   with   v ar i o u s   o th er   la y er s   o f   p r o ce s s in g   u n it s ,   s o m etim es  k n o w n   as n eu r o n s   o r   n o d es,   to   lear n   r ep r esen tatio n s   o f   in p u t.  T h e s e  n eu r al  n etwo r k s   m ay   a u t o m atica lly   id en tif y   p atter n s   o r   f ea t u r es  in   d ata  with o u t  th e  n ee d   f o r   e x p licit  p r o g r a m m in g .   T h e  m u ltil ay er   h ar d war e  ch i p   f o r   2 0 - n eu r o n   i n p u t  is   d esig n ed   i n   S p ar tan - 6   ( XC 6 SLX4 - 2 T QG 1 4 4 )   FP GA  Xilin x   I SE  1 4 . 7   s u cc ess f u lly .   T h e  R T L ,   in te r n al  s ch em atic,   an d   s im u latio n   o f   th e  m u ltil ay er   h ar d war e  a r e  v er if ied .   T h e   h ar d war e  p a r am eter   u tili za tio n   r ep o r ts   s h o w  th at   L UT ’ s  f lip - f lo p   u s ed   is   3 5 2   o u t  o f   2 1 5 5   wh ic h   is   1 6 . 3 3   %.  T h e  n u m b er   o f   b o n d ed   I O B s   u s ed   is   5 3   o u t  o f   th e   av ailab le  to tal  1 0 2   I O B s ,   wh ich   is   5 1 . 9 6   %.  T h e  n u m b e r   o f   DSP  elem en ts   u s ed   is   8   t o tal  o u t  o f   8   w h ich   i s   1 0 0 . 0 0   %,  Nu m b e r   o f   s lice  r eg is ter s   u s ed   is   9 6 0   o f   th e  t o t al  av ailab le  4 8 0 0   wh ich   s h o w s   th at  it  is   2 0 . 0 0 %  u tili ze d .   T h e  m u ltil ay er   ANN   d esig n   s u p p o r ted   3 1 3   MH z  f r eq u en c y ,   d ela y   6 . 3 5 9   n s ,   m e m o r y   4 6 6 5 3 0 4   KB ,   an d   o p tim al  p o wer   esti m atio n   o f   1 1 . 4 5   n W .   A  n ew,   m o r e  ef f icien t  d u al - r eg is ter   6 - in p u t   L UT s   lo g ic  an d   a   lar g e  r a n g e  o f   b u ilt - in   s y s tem - lev el  b lo c k s   ar e  b o th   in clu d e d   in   t h e  Sp ar ta n - 6   f am ily   o f   in teg r ated   ci r cu its ,   wh ich   o f f e r s   th e  b est m ix   o f   c o s t,  p o wer ,   an d   p e r f o r m an ce .       ACK NO WL E DG E M E NT S    T h an k s   to   th e   UPES  VL SI  d esig n   an d   DSP L ab   to   p r o v id e  th e  p latf o r m   f o r   ca r r y in g   o u t th e   wo r k .       RE F E R E NC E S    [ 1 ]   M .   W i e l g o sz  a n d   M .   K a r w a t o w sk i ,   “ M a p p i n g   n e u r a l   n e t w o r k s  t o   F P G A - b a se d   I o T  d e v i c e s  f o r   u l t r a - l o w   l a t e n c y   p r o c e ssi n g , ”   S e n so rs ,   v o l .   1 9 ,   n o .   1 3 ,   Ju l .   2 0 1 9 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / s1 9 1 3 2 9 8 1 .   [ 2 ]   A .   K u mar ,   P .   S h a r ma ,   M .   K .   G u p t a ,   a n d   R .   K u mar,  “ M a c h i n e   l e a r n i n g   b a sed   r e so u r c e   u t i l i z a t i o n   a n d   p r e - e s t i m a t i o n   f o r   n e t w o r k   o n   c h i p   ( N o C )   c o mm u n i c a t i o n , ”   Wi re l e ss  Pe rs o n a l   C o m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   1 0 2 ,   n o .   3 ,   p p .   2 2 1 1 – 2 2 3 1 ,   O c t .   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / s 1 1 2 7 7 - 0 1 8 - 5 3 7 6 - 3.   [ 3 ]   W .   H a e n sc h ,   T.   G o k m e n ,   a n d   R .   P u r i ,   “ Th e   n e x t   g e n e r a t i o n   o f   d e e p   l e a r n i n g   h a r d w a r e :   a n a l o g   c o m p u t i n g , ”   i n   Pr o c e e d i n g s   o f   t h e   I EEE ,   J a n .   2 0 1 9 ,   v o l .   1 0 7 ,   n o .   1 ,   p p .   1 0 8 – 1 2 2 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / JP R O C . 2 0 1 8 . 2 8 7 1 0 5 7 .   [ 4 ]   Y .   Le c u n ,   Y .   B e n g i o ,   a n d   G .   H i n t o n ,   “ D e e p   l e a r n i n g , ”   N a t u re ,   v o l .   5 2 1 ,   n o .   7 5 5 3 ,   p p .   4 3 6 – 4 4 4 ,   M a y   2 0 1 5 ,   d o i :   1 0 . 1 0 3 8 / n a t u r e 1 4 5 3 9 .   [ 5 ]   L.   D e n g   e t   a l . ,  “ R e c e n t   a d v a n c e s  i n   d e e p   l e a r n i n g   f o r   sp e e c h   r e sea r c h   a t   M i c r o s o f t , ”   i n   2 0 1 3   I E EE  I n t e r n a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   Ac o u s t i c s ,   S p e e c h   a n d   S i g n a l   Pr o c e ss i n g ,   M a y   2 0 1 3 ,   p p .   8 6 0 4 – 8 6 0 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C A S S P . 2 0 1 3 . 6 6 3 9 3 4 5 .   [ 6 ]   A .   K r i z h e v s k y ,   I .   S u t s k e v e r ,   a n d   G .   E.   H i n t o n ,   “ I mag e N e t   c l a ssi f i c a t i o n   w i t h   d e e p   c o n v o l u t i o n a l   n e u r a l   n e t w o r k s , ”   C o m m u n i c a t i o n s  o f   t h e   A C M ,   v o l .   6 0 ,   n o .   6 ,   p p .   8 4 – 9 0 ,   M a y   2 0 1 7 ,   d o i :   1 0 . 1 1 4 5 / 3 0 6 5 3 8 6 .   [ 7 ]   D .   S i l v e r   e t   a l . ,  “ M a s t e r i n g   t h e   g a me   o f   g o   w i t h   d e e p   n e u r a l   n e t w o r k s   a n d   t r e e   se a r c h , ”   N a t u r e ,   v o l .   5 2 9 ,   n o .   7 5 8 7 ,   p p .   4 8 4 – 4 8 9 ,   2 0 1 6 ,   d o i :   1 0 . 1 0 3 8 / n a t u r e 1 6 9 6 1 .   [ 8 ]   D .   W a n g ,   L .   D e n g ,   P .   Ta n g ,   C .   M a ,   a n d   J.   P e i ,   “ F P G A - b a se d   n e u r o m o r p h i c   c o m p u t i n g   s y st e m  w i t h   a   sc a l a b l e   r o u t i n g   n e t w o r k , ”   i n   2 0 1 5   1 5 t h   N o n - V o l a t i l e   Me m o ry  T e c h n o l o g y   S y m p o s i u m   ( N V MTS ) ,   O c t .   2 0 1 5 ,   p p .   1 – 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / N V M TS. 2 0 1 5 . 7 4 5 7 4 3 2 .   [ 9 ]   M .   A .   D i a s  a n d   D .   A .   P .   F e r r e i r a ,   “ D e e p   l e a r n i n g   i n   r e c o n f i g u r a b l e   h a r d w a r e :   a   su r v e y , ”   i n   2 0 1 9   I EEE   I n t e r n a t i o n a l   Pa r a l l e l   a n d   D i st ri b u t e d   Pr o c e s si n g   S y m p o si u m   W o rks h o p s   ( I PD PS W) ,   M a y   2 0 1 9 ,   p p .   9 5 – 9 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I P D P S W . 2 0 1 9 . 0 0 0 2 6 .   [ 1 0 ]   N .   N e d j a h ,   R .   M .   d a   S i l v a ,   a n d   L.   d e   M a c e d o   M o u r e l l e ,   “ C o mp a c t   y e t   e f f i c i e n t   h a r d w a r e   i mp l e m e n t a t i o n   o f   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k s  w i t h   c u st o mi z e d   t o p o l o g y , ”   Ex p e r t   S y s t e m s  w i t h   A p p l i c a t i o n s ,   v o l .   3 9 ,   n o .   1 0 ,   p p .   9 1 9 1 – 9 2 0 6 ,   A u g .   2 0 1 2 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . e sw a . 2 0 1 2 . 0 2 . 0 8 5 .   [ 1 1 ]   J .   P a r k   a n d   W .   S u n g ,   “ F P G A   b a s e d   i m p l e m e n t a t i o n   o f   d e e p   n e u r a l   n e t w o r k s   u s i n g   o n - c h i p   m e m o r y   o n l y , ”   i n   2 0 1 6   I E E E   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   A c o u s t i c s ,   S p e e c h   a n d   S i g n a l   P r o c e s s i n g   ( I C A S S P ) ,   M a r .   2 0 1 6 ,   p p .   1 0 1 1 – 1 0 1 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C A S S P . 2 0 1 6 . 7 4 7 1 8 2 8 .   [ 1 2 ]   M .   V e r u c c h i   e t   a l . ,  “ A   s y s t e m a t i c   a s s e ssm e n t   o f   e m b e d d e d   n e u r a l   n e t w o r k s   f o r   o b j e c t   d e t e c t i o n , ”   i n   2 0 2 0   2 5 t h   I E EE  I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   E m e r g i n g   T e c h n o l o g i e s   a n d   F a c t o r y   A u t o m a t i o n   ( E T F A ) ,   S e p .   2 0 2 0 ,   p p .   9 3 7 – 9 4 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / E T F A 4 6 5 2 1 . 2 0 2 0 . 9 2 1 2 1 3 0 .   [ 1 3 ]   T.   V .   H u y n h ,   “ D e si g n   s p a c e   e x p l o r a t i o n   f o r   a   si n g l e - F P G A   h a n d w r i t t e n   d i g i t   r e c o g n i t i o n   sy st e m, ”   i n   2 0 1 4   I EEE   Fi f t h   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   C o m m u n i c a t i o n s  a n d   El e c t ro n i c s (I C C E) ,   Ju l .   2 0 1 4 ,   p p .   2 9 1 – 2 9 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / C C E . 2 0 1 4 . 6 9 1 6 7 1 7 .   [ 1 4 ]   T.   V .   H u y n h ,   “ E v a l u a t i o n   o f   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k   a r c h i t e c t u r e s  f o r   p a t t e r n   r e c o g n i t i o n   o n   F P G A , ”   I n t e r n a t i o n a l   J o u rn a l   o f   C o m p u t i n g   a n d   D i g i t a l   S y st e m s ,   v o l .   6 ,   n o .   3 ,   p p .   1 3 3 – 1 3 8 ,   2 0 1 7 ,   d o i :   1 0 . 1 2 7 8 5 / I JC D S / 0 6 0 3 0 5 .   [ 1 5 ]   A .   K u m a r ,   G .   V e r m a ,   M .   K .   G u p t a ,   M .   S a l a u d d i n ,   B .   K .   R e h m a n ,   a n d   D .   K u m a r ,   “ 3 D   m u l t i l a y e r   m e s h   N o C   c o mm u n i c a t i o n   a n d   F P G A   s y n t h e s i s , ”   W i r e l e ss   P e rs o n a l   C o m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   1 0 6 ,   n o .   4 ,   p p .   1 8 5 5 – 1 8 7 3 ,   J u n .   2 0 1 9 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / s 1 1 2 7 7 - 018 - 5724 - 3 .   [ 1 6 ]   A .   O w e n s ,   P .   I so l a ,   J.   M c D e r m o t t ,   A .   T o r r a l b a ,   E .   H .   A d e l s o n ,   a n d   W .   T.   F r e e m a n ,   “ V i su a l l y   i n d i c a t e d   s o u n d s , ”   i n   2 0 1 6   I EEE   C o n f e re n c e   o n   C o m p u t e r  Vi s i o n   a n d   Pa t t e r n   Re c o g n i t i o n   ( C VP R) ,   J u n .   2 0 1 6 ,   p p .   2 4 0 5 – 2 4 1 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / C V P R . 2 0 1 6 . 2 6 4 .   [ 1 7 ]   J.  W a n g ,   Y .   M a ,   L .   Z h a n g ,   R .   X .   G a o ,   a n d   D .   W u ,   “ D e e p   l e a r n i n g   f o r   sm a r t   man u f a c t u r i n g :   m e t h o d s  a n d   a p p l i c a t i o n s , ”   J o u r n a l   o f   Ma n u f a c t u r i n g   S y s t e m s ,   v o l .   4 8 ,   p p .   1 4 4 – 1 5 6 ,   Ju l .   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . j ms y . 2 0 1 8 . 0 1 . 0 0 3 .   [ 1 8 ]   A .   G o e l ,   A .   K .   G o e l ,   a n d   A .   K u mar ,   “ Th e   r o l e   o f   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k   a n d   ma c h i n e   l e a r n i n g   i n   u t i l i z i n g   s p a t i a l   i n f o r ma t i o n , ”   S p a t i a l   I n f o rm a t i o n   R e se a rc h ,   v o l .   3 1 ,   n o .   3 ,   p p .   2 7 5 – 2 8 5 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / s 4 1 3 2 4 - 0 2 2 - 0 0 4 9 4 - x.   [ 1 9 ]   P .   P .   G r o u m p o s,  “ D e e p   l e a r n i n g   v s.  w i se  l e a r n i n g :   A   c r i t i c a l   a n d   c h a l l e n g i n g   o v e r v i e w , ”   I FA C - P a p e rsO n L i n e ,   v o l .   4 9 ,   n o .   2 9 ,   p p .   1 8 0 – 1 8 9 ,   2 0 1 6 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . i f a c o l . 2 0 1 6 . 1 1 . 0 9 9 .   [ 2 0 ]   B .   R .   K i r a n   e t   a l . ,  “ D e e p   r e i n f o r c e me n t   l e a r n i n g   f o r   a u t o n o m o u s  d r i v i n g :   A   su r v e y , ”   I EEE  T r a n s a c t i o n s  o n   I n t e l l i g e n t   T ra n s p o rt a t i o n   S y st e m s ,   v o l .   2 3 ,   n o .   6 ,   p p .   4 9 0 9 – 4 9 2 6 ,   J u n .   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI TS.2 0 2 1 . 3 0 5 4 6 2 5 .   [ 2 1 ]   A .   G i u s t i   e t   a l . ,  “ A   m a c h i n e   l e a r n i n g   a p p r o a c h   t o   v i s u a l   p e r c e p t i o n   o f   f o r e st   t r a i l s  f o r   m o b i l e   r o b o t s , ”   I E EE  Ro b o t i c s  a n d   Au t o m a t i o n   L e t t e rs ,   v o l .   1 ,   n o .   2 ,   p p .   6 6 1 – 6 6 7 ,   J u l .   2 0 1 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / L R A . 2 0 1 5 . 2 5 0 9 0 2 4 .   [ 2 2 ]   R .   J .   C h e n   e t   a l . ,  “ D e r mat o l o g i s t - l e v e l   c l a ssi f i c a t i o n   o f   s k i n   c a n c e r   w i t h   d e e p   n e u r a l   n e t w o r k s, ”   N a t u r e ,   v o l .   1 0 ,   n o .   3 ,   p p .   1 – 8 ,   2 0 1 8 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :   48 5 - 4 9 4   494   [ 2 3 ]   B .   K h a g i ,   C .   G .   L e e ,   a n d   G . - R .   K w o n ,   “ A l z h e i m e r ’ s d i s e a s e   c l a ssi f i c a t i o n   f r o m b r a i n   M R I   b a se d   o n   t r a n sf e r   l e a r n i n g   f r o m C N N , ”   i n   2 0 1 8   1 1 t h   B i o m e d i c a l   E n g i n e e ri n g   I n t e rn a t i o n a l   C o n f e r e n c e   ( BM Ei C O N ) ,   N o v .   2 0 1 8 ,   p p .   1 – 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / B M E i C O N . 2 0 1 8 . 8 6 0 9 9 7 4 .   [ 2 4 ]   T.   B e l a b e d ,   M .   G .   F .   C o u t i n h o ,   M .   A .   C .   F e r n a n d e s,  C .   V .   S a k u y a ma,   a n d   C .   S o u a n i ,   “ U ser d r i v e n   F P G A - b a se d   d e s i g n   a u t o m a t e d   f r a mew o r k   o f   d e e p   n e u r a l   n e t w o r k s   f o r   l o w - p o w e r   l o w - c o st   e d g e   c o m p u t i n g , ”   I EEE   Ac c e ss ,   v o l .   9 ,   p p .   8 9 1 6 2 – 8 9 1 8 0 ,   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / A C C ESS . 2 0 2 1 . 3 0 9 0 1 9 6 .   [ 2 5 ]   S .   H a r i p r a sa t h   a n d   T .   N .   P r a b a k a r ,   “ F P G A   i mp l e m e n t a t i o n   o f   m u l t i l a y e r   f e e d   f o r w a r d   n e u r a l   n e t w o r k   a r c h i t e c t u r e   u s i n g   V H D L, ”   2 0 1 2   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   C o m p u t i n g ,   C o m m u n i c a t i o n   a n d   A p p l i c a t i o n s,  I C C C A  2 0 1 2 ,   2 0 1 2 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C C C A . 2 0 1 2 . 6 1 7 9 2 2 5 .   [ 2 6 ]   Y .   Zh o u ,   S .   R e d k a r ,   a n d   X .   H u a n g ,   “ D e e p   l e a r n i n g   b i n a r y   n e u r a l   n e t w o r k   o n   a n   F P G A , ”   i n   2 0 1 7   I EEE  6 0 t h   I n t e r n a t i o n a l   Mi d w e st   S y m p o si u m   o n   C i rc u i t s  a n d   S y s t e m s ( MW S C A S ) ,   A u g .   2 0 1 7 ,   p p .   2 8 1 – 2 8 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / M W S C A S . 2 0 1 7 . 8 0 5 2 9 1 5 .   [ 2 7 ]   A .   D u n d a r ,   J.  J i n ,   V .   G o k h a l e ,   B .   M a r t i n i ,   a n d   E .   C u l u r c i e l l o ,   “ M e m o r y   a c c e ss  o p t i m i z e d   r o u t i n g   s c h e me  f o r   d e e p   n e t w o r k s  o n   a   mo b i l e   c o p r o c e ss o r , ”   i n   2 0 1 4   I EEE   H i g h   P e rf o rm a n c e   E x t r e m e   C o m p u t i n g   C o n f e re n c e   ( H PE C ) ,   S e p .   2 0 1 4 ,   p p .   1 – 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / H P EC . 2 0 1 4 . 7 0 4 0 9 6 3 .   [ 2 8 ]   M .   P e e m e n ,   A .   A .   A .   S e t i o ,   B .   M e s m a n ,   a n d   H .   C o r p o r a a l ,   “ M e m o r y - c e n t r i c   a c c e l e r a t o r   d e s i g n   f o r   C o n v o l u t i o n a l   N e u r a l   N e t w o r k s , ”   i n   2 0 1 3   I E E E   3 1 s t   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   C o m p u t e r   D e s i g n   ( I C C D ) ,   O c t .   2 0 1 3 ,   p p .   1 3 – 1 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C C D . 2 0 1 3 . 6 6 5 7 0 1 9 .   [ 2 9 ]   Y .   Y .   G h a d i   e t   a l . ,  “ M a c h i n e   l e a r n i n g   so l u t i o n s  f o r   t h e   sec u r i t y   o f   w i r e l e ss   sen s o r   n e t w o r k s:   a   r e v i e w , ”   I EE E  A c c e ss ,   v o l .   1 2 ,   p p .   1 2 6 9 9 – 1 2 7 1 9 ,   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / A C C ESS . 2 0 2 4 . 3 3 5 5 3 1 2 .   [ 3 0 ]   Z.   C h e n ,   J.  W a n g ,   H .   H e ,   a n d   X .   H u a n g ,   “ A   f a s t   d e e p   l e a r n i n g   s y st e m  u s i n g   G P U , ”   i n   2 0 1 4   I EE E  I n t e r n a t i o n a l   S y m p o si u m   o n   C i rc u i t s  a n d   S y st e m s (I S C A S ) ,   J u n .   2 0 1 4 ,   p p .   1 5 5 2 – 1 5 5 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I S C A S . 2 0 1 4 . 6 8 6 5 4 4 4 .   [ 3 1 ]   Y .   Zh a n g   a n d   S .   Z h a n g ,   “ O p t i m i z e d   d e e p   l e a r n i n g   a r c h i t e c t u r e s  w i t h   f a st   mat r i x   o p e r a t i o n   k e r n e l s  o n   p a r a l l e l   p l a t f o r m, ”   i n   2 0 1 3   I EEE  2 5 t h   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   T o o l s  w i t h   Art i f i c i a l   I n t e l l i g e n c e ,   N o v .   2 0 1 3 ,   p p .   7 1 – 7 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C TA I . 2 0 1 3 . 2 1 .   [ 3 2 ]   R .   Z h a o   e t   a l . ,  “ H a r d w a r e   c o m p i l a t i o n   o f   d e e p   n e u r a l   n e t w o r k s :   a n   o v e r v i e w , ”   i n   2 0 1 8   I EE E   2 9 t h   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   Ap p l i c a t i o n - sp e c i f i c   S y st e m s ,   Ar c h i t e c t u res  a n d   Pr o c e sso rs   ( AS AP) ,   Ju l .   2 0 1 8 ,   p p .   1 – 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / A S A P . 2 0 1 8 . 8 4 4 5 0 8 8 .   [ 3 3 ]   J.  K i m,  K .   H w a n g ,   a n d   W .   S u n g ,   “ X 1 0 0 0   r e a l - t i m e   p h o n e me  r e c o g n i t i o n   V LSI   u si n g   f e e d - f o r w a r d   d e e p   n e u r a l   n e t w o r k s, ”   i n   2 0 1 4   I EE E  I n t e r n a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   Ac o u st i c s ,   S p e e c h   a n d   S i g n a l   P ro c e ssi n g   ( I C A S S P) ,   M a y   2 0 1 4 ,   p p .   7 5 1 0 – 7 5 1 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C A S S P . 2 0 1 4 . 6 8 5 5 0 6 0 .   [ 3 4 ]   K .   H w a n g   a n d   W .   S u n g ,   “ F i x e d - p o i n t   f e e d f o r w a r d   d e e p   n e u r a l   n e t w o r k   d e s i g n   u si n g   w e i g h t s  + 1 ,   0 ,   a n d   − 1 , ”   i n   2 0 1 4   I EE E   Wo r k sh o p   o n   S i g n a l   Pr o c e ss i n g   S y st e m s (S i P S ) ,   O c t .   2 0 1 4 ,   p p .   1 – 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / S i P S . 2 0 1 4 . 6 9 8 6 0 8 2 .   [ 3 5 ]   S .   A n w a r ,   K .   H w a n g ,   a n d   W .   S u n g ,   “ F i x e d   p o i n t   o p t i mi z a t i o n   o f   d e e p   c o n v o l u t i o n a l   n e u r a l   n e t w o r k s  f o r   o b j e c t   r e c o g n i t i o n , ”   i n   2 0 1 5   I EEE   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   Ac o u st i c s,  S p e e c h   a n d   S i g n a l   P ro c e ssi n g   ( I C A S S P) ,   A p r .   2 0 1 5 ,   p p .   1 1 3 1 – 1 1 3 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C A S S P . 2 0 1 5 . 7 1 7 8 1 4 6 .   [ 3 6 ]   A .   G o e l ,   A .   K .   G o e l ,   a n d   A .   K u m a r ,   “ P e r f o r ma n c e   a n a l y s i s  o f   m u l t i p l e   i n p u t   si n g l e   l a y e r   n e u r a l   n e t w o r k   h a r d w a r e   c h i p , ”   Mu l t i m e d i a   T o o l s  a n d   Ap p l i c a t i o n s ,   v o l .   8 2 ,   n o .   1 8 ,   p p .   2 8 2 1 3 – 2 8 2 3 4 ,   Ju l .   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / s1 1 0 4 2 - 0 2 3 - 1 4 6 2 7 - 3.   [ 3 7 ]   A .   D e v r a r i   a n d   A .   K u mar,  “ T u r b o   e n c o d e r   a n d   d e c o d e r   c h i p   d e s i g n   a n d   F P G A   d e v i c e   a n a l y si s  f o r   c o mm u n i c a t i o n   sy s t e m , ”   I n t e r n a t i o n a l   J o u rn a l   o f   Re c o n f i g u ra b l e   a n d   Em b e d d e d   S y st e m s  ( I J R ES ) ,   v o l .   1 2 ,   n o .   2 ,   p p .   1 7 4 – 1 8 5 ,   Ju l .   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r e s. v 1 2 . i 2 . p p 1 7 4 - 1 8 5 .   [ 3 8 ]   A .   S .   R a w a t ,   A .   R a n a ,   A .   K u m a r ,   a n d   A .   B a g w a r i ,   “ A p p l i c a t i o n   o f   mu l t i   l a y e r   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k   i n   t h e   d i a g n o s i s  s y st e m:   a   sy st e ma t i c   r e v i e w , ”   I AE S   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   Art i f i c i a l   I n t e l l i g e n c e   ( I J - AI ) ,   v o l .   7 ,   n o .   3 ,   p p .   1 3 8 – 1 4 2 ,   A u g .   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j a i . v 7 . i 3 . p p 1 3 8 - 1 4 2 .       B I O G RAP H I E S O F   AUTH O RS        Ar u n a   Pa n t          is  wo rk i n g   a s  a   ju n i o r  re se a rc h   fe ll o w  (JRF)  i n   t h e   De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g ,   UPE S ,   De h ra d u n ,   I n d i a .   S h e   h a s  a n   M . Tec h .   in   El e c tro n ics   a n d   C o m m u n ica ti o n   En g i n e e rin g   fro m   Am it y   Un iv e rsity ,   L u c k n o w,  In d ia.  He r   a re a   o f  in tere st  is  b io m e d ica l  si g n a l  p r o c e ss in g ,   EE G   sig n a ls,  a n d   d i g it a l  sig n a l  p r o c e ss in g .   S h e   is   h a v in g   a n   e x p e rien c e   o f   1 2   y e a rs  o f  tea c h i n g .   S h e   c a n   b e   c o n tac ted   a t   a ru n a p a n t 4 1 @ g m a il . c o m .         Ades h   K u m a r           h a s  b e e n   wo r k in g   a s  a   p ro fe ss o r  i n   t h e   De p a rtme n t  o f  El e c tri c a l   a n d   El e c tro n ics   E n g i n e e rin g ,   S c h o o l  o f  A d v a n c e d   En g in e e rin g ,   T h e   Un iv e rsit y   o f  P e tr o leu m   a n d   E n e rg y   S tu d ies   (UPE S ) ,   De h ra d u n ,   I n d ia  si n c e   2 0 1 0 .   He   h a s  a   B. Tec h .   in   El e c tro n ics   a n d   Co m m u n ica ti o n   E n g i n e e rin g   fr o m   UPT U,  L u c k n o w  I n d ia  in   2 0 0 6 .   M . Tec h .   (Ho n s)  i n   Emb e d d e d   S y ste m s  Tec h n o lo g y ,   fro m   S RM   U n iv e rsit y ,   Ch e n n a i  in   2 0 0 8 .   P h . D.   (El e c tro n ics   En g i n e e rin g )   fro m   UPE S ,   De h ra d u n   I n d ia i n   2 0 1 4 .   He   h a s a lso   wo r k e d   a s a   S e n i o r  E n g i n e e r  i n   TATA  EL XSI  LI M ITE D  Ba n g a l o re   a n d   a s  a   fa c u lt y   m e m b e r  in   I CF AI  Un iv e rsit y ,   De h ra d u n .   His  a re a s  o f  in tere st  a re   VLS I  d e sig n ,   e m b e d d e d   sy ste m s  d e sig n ,   tele c o m m u n ica ti o n s,   a n d   sig n a l  p r o c e ss in g .   He   h a s  su p e r v ise d   8   P h . D.  sc h o lars ,   a n d   5   c a n d id a tes   a re   d o i n g   re se a rc h   u n d e r   h is  su p e rv isi o n .   He   h a s  wo rk e d   o n   m o re   th a n   1 0   e d it o rial   a ss ig n m e n ts  fo r   e d it e d   b o o k s ,   c o n fe re n c e   p r o c e e d in g s ,   a n d   jo u rn a ls,  h a v in g   c it a ti o n s  o f  m o re   t h a n   2 0 0 0 ,   H - i n d e x - 2 5   i 1 0 - in d e x - 4 5 .   He   h a s  1 6   y e a rs  o f  e x p e rien c e   in   th e   tea c h in g +   re se a rc h   in d u str y ,   p u b li s h e d   m o re   th a n   1 2 0 +   re se a rc h   p a p e rs  in   in tern a ti o n a l  p e e r - re v ie we d   j o u r n a ls  (S CI/S c o p u s)  a n d   c o n fe re n c e s.  He   c a n   b e   c o n tac ted   a t  a d e sh m a n a v @g m a il . c o m   o r   a d e sh k u m a r@d d n . u p e s.a c . in .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.