Deep learning (DL) models for real-time wearable sleep staging often rely on long-kernel temporal convolutions, a requirement that current accelerators struggle to support efficiently. To overcome this, we present an FPGA-based CNN-BiLSTM accelerator that incorporates several algorithm-hardware co-design techniques to enable efficient edge inference. Central to this design is an FFT-based non-unit stride fast convolution, which performs accumulation in the frequency domain to enable a single IFFT per block, reducing post-processing complexity to $O(N\log N)$. On the target long-kernel convolution layer, this yields a 20.5$\times$ reduction in arithmetic operations. Power-of-two quantization is applied across the pipeline, including FFT-based convolution and BiLSTM activations, with an average accuracy degradation of only 0.11% relative to the floating-point baseline across all subjects on the public MASS-SS3 dataset. Additional optimizations, including block convolution, depth-first execution, and hardware engine reuse minimize memory access and enhance resource utilization. The accelerator, implemented on a Xilinx Zynq-7000 FPGA, operates at 10 MHz and consumes 11 mW of dynamic power including data handling and configuration overhead from a microcontroller. The design achieves a DSP power efficiency of 0.91 GOPS/W/DSP using only 4 DSPs, demonstrating scalable and energy-efficient DL acceleration for sleep staging that can be extended to other wearable applications.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

在数学(特别是功能分析)中,卷积是对两个函数(f和g)的数学运算,产生三个函数,表示第一个函数的形状如何被另一个函数修改。 卷积一词既指结果函数,又指计算结果的过程。 它定义为两个函数的乘积在一个函数反转和移位后的积分。 并针对所有shift值评估积分,从而生成卷积函数。
【博士论文】深度学习中的推理不一致性及其缓解方法
专知会员服务
27+阅读 · 2025年4月5日
深度神经网络 FPGA 设计进展、实现与展望
专知会员服务
59+阅读 · 2022年3月26日
专知会员服务
16+阅读 · 2021年3月4日
专知会员服务
57+阅读 · 2021年1月26日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
深度学习循环神经网络详解
七月在线实验室
16+阅读 · 2018年5月28日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
详述DeepMind wavenet原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
12+阅读 · 2017年6月26日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
人工智能在军事教育中的应用:若干视角与经验
“星链”减速与不断适应的乌克兰
专知会员服务
1+阅读 · 11月6日
美国中期选举之后:帕兰提尔面临不确定性?
专知会员服务
2+阅读 · 11月6日
《面向国防领域的大语言模型基准测试与适配》
专知会员服务
17+阅读 · 10月28日
世界模型入门:从序贯决策到通用智能体
专知会员服务
19+阅读 · 10月24日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
深度学习循环神经网络详解
七月在线实验室
16+阅读 · 2018年5月28日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
详述DeepMind wavenet原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
12+阅读 · 2017年6月26日
相关基金
国家自然科学基金
6+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员