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处理器IP厂商的机器学习方案 - CEVA
CEVA这个处理器IP公司的出镜率虽然没有ARM那么高，但在手机芯片的圈子里也是最重要的IP厂商之一。从2G开始，CEVA的DSP IP就被用在通信基带处理上，TeakLite系列非常成功。在4G时代，联芯基于CEVA DSP打造的SDR平台由于小米的采用也经常在新闻中出现。而且，这个平台后来广泛应用于无人机和一些专网市场（需要支持专门的通信协议或者waveform）也展示了SDR的灵活性，扩展性优势。多媒体方面，特别是图像和视频处理，是CEVA DSP一个主要的应用。前段时间Rockchip在CES2017展示的RV1108就是基于CEVA XM4的。图像视频处理方面的经验，也是他们向人工智能领域拓展最重要的基础。
相比ARM的谨慎，CEVA已经把人工智能放在一个和5G并列的重要位置。在CEVA的主页上，就可以看到：“CEVA-XM6 The Ultimate DeepLearning Platform”这样的标题。点进去之后是对性能的宣传，大家不妨感受一下。
图片来自 www.ceva-dsp.com
下面我们就仔细观察一下CEVA-XM6。
图片来自 www.ceva-dsp.com
从这个架构图来看，XM6基本还是继承之前的DSP的时间，并没有太大的变化。4个scalar单元，两个load/store单元，核心处理是3个向量处理单元VPU。程序（Program MSS）和数据（Data MSS）的子系统通过AXI接口和SoC总线连接。另外就是debug功能（Emulation）和可扩展的指令集（ISA XTEND）和协处理器接口。在CEVA网站上给出了XM6的架构亮点，我们详细解读一下。
Innovative vector processor unit (VPU) architecture – ensuring above 95% MAC utilization.
向量处理器单元一般可以一次实现两个向量（vector）的乘法和累加（MAC），是常见的SIMD数据并行的实现方式。MAC的数量决定能够实现的并行度，假设有128个MAC（我记得XM4是128个MAC），则可以同时做128个乘累加。MAC中乘法的位宽也是一个重要指标，一般都支持8bit，16bit和32bit的操作；当然不同的位宽能够并行处理的数量也不一样。如果所有操作数都是16bit，每个乘法有两个操作数，则128个MAC一次可以处理4096比特的向量。那么，是不是MAC越多，并行度就可以越高，处理的效率也就越高呢？不一定。这个就引出了另一个VPU设计的时候重点关注的问题，MAC的利用率。如果算法本身并没有这么强的数据并行性，或者架构设计中不能保证及时给这些MAC提供足够的操作数，那么就会出现很多MAC闲着的情况，也就是MAC的利用率低。这种情况下再多的MAC也提升不了性能。所以，在这个亮点里我更关注的是后半句话“ensuring above 95% MAC utilization”。说实话，这个利用率是很高了。这个数据具体是对于什么样的case，在什么样的条件下得到的？还是一个普遍的数据？其实是有必要进一步说明的。
Enhanced Parallel Scatter-Gather Memory Load Mechanism – further improving the performance of vision algorithms, including SLAM and depth mapping
这一条主要是针对数据的不规则性而设计的。简单的内存读取（load）方式就是把一个指定的memory位置的值读取出来。但如果需要读入一个向量，就没这么简单了。特别是当这个向量中的元素不是连续存放，就更麻烦了。这里的Scatter-Gather就是能把一些分布存放的数据一次取出，再组合成一个向量的方法。这个其实在向量DSP设计中也是比较常见的，不算很新鲜的东西。
Sliding Window 2.0™ – This patented mechanism takes advantage of pixel overlap in image processing and helps to achieve higher utilization for a wider variety of neural networks and cope with the increasing complexity of these networks
这个设计还是比较重要的。对于CNN网络的处理，确实对于feature map（特征图）的pixel（像素）和kernel（卷积核）做卷积的时候会有很多overlap的情况。虽然这里看不出具体的方法，但如果能有效的挖掘这方面的潜力肯定是有好处的。
Optional 32-way SIMD vector floating-point unit that includes the IEEE half precision standard (FP16) and major non-linear operations enhancements
这个没什么多说的，你要是有钱还有需求，可以额外买他们的浮点向量运算单元。对于CNN inference应该用处不大。
Other improvements include an enhanced 3D data processing scheme for accelerated CNN performance, a 50% improvement in control code performance versus the CEVA-XM4, a new scalar unit which further reduces code size, multi-core and system integration support
这里说的3D data processing不知道是不是tensor（张量，也就是多维数组）处理的概念。如果是的话，应该对于CNN处理（实际是张量处理）是有好处的。
总结一下，从处理器硬件架构上看，XM6还是CEVA图像视频DSP的延续，只是针对神经网络做了少量的优化。从这个角度来说，有点“旧瓶装新酒”的感觉。当然这种传统的DSP架构的好处就是灵活性，可以支持现有的很多computer vision的算法，这个对于一个computer vision的系统来说，还是很重要的。
不过CEVA也提供了专用的硬件加速器方案，“CEVA Deep Neural Network Hardware Accelerator (CDNN HWA)”。
“CDNN HWA旨在与CEVA-XM系列处理器协同工作，实现深度学习算法的极高性能和极低功耗。 CDNN HWA提供512个MAC /周期，确保最佳的性能，以处理当今最复杂的神经网络。 CDNN加速器可以卸载DSP核心的MAC操作，释放DSP本地MAC单元执行额外的并行任务。 这使CEVA-XM系列核心与CDNN加速器一起工作是一个最佳架构，以支持快速发展的深度学习空间中经历的新的成像算法，网络结构和变化的层类型。”
如果用硬件加速器的话，是不是用XM4+CDNN HWA更划算呢？
这种用传统VLIW/SIMD DSP核+硬件加速器的方式和Synopsys的EV方案也比较相似（这个下次分析），是相对比较稳妥的方法。不过这种方案和更专用的CNN加速器（比如Eyeriss，Cambricon-x和ENVISION ISSCC2017 Deep-Learning Processors文章学习 （三））相比整体效率（PPA，性能，功耗，面积）如何，还有待观察的。
唉，想当年我们自己做的Vector DSP现在要是包装成神经网络处理器说不定就火了。
言归正传吧，说完硬件架构，另一个重要话题就是工具链。CEVA的工具统称为CDNN Toolkit，下图是它在整个开发环境中的位置。
图片来自 www.ceva-dsp.com
CDNN工具包包括CEVA network generator，CDNN软件框架和CDNN硬件加速器。CDNN工具包的关键功能是：使用CEVA网络生成器（PC离线工具），将离线预训练的神经网络自动转换为CEVA-XM内核能够执行的实时嵌入式网络。CDNN2是第二代软件架构，其功能是:
“接收经预训练的网络模型和相关网络权重作为来自离线训练（例如经由“Caffe”和“TensorFlow”框架）的输入到专用CEVA网络生成器，然后自动地将网络转换成实时网络模型 。 基于卷积神经网络（CNN）的应用程序可以通过调用CDNN2实时库并在CEVA-XM系列DSP内核上运行它们来使用这种实时网络模型。”
图片来自 www.ceva-dsp.com
个人感觉，工具链，包括硬件加速器才是CEVA专门针对神经网络做的工作。而这部分的性能如何，对于系统整体性能至关重要。网站上的描述比较笼统，工具链还是得亲自试试才行，也欢迎亲自用过的读者留言介绍一下。
T.S.