<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<Gradivo ID="124547" NadgradivoID="0" NRID="12518902" OceID="0" DomainUrl="https://repozitorij.uni-lj.si/" IzpisPolniUrl="https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?lang=slv&amp;id=124547" StOgledov="3653" StPrenosov="354" StOcen="0" VsotaOcen="0" DatumIzvoza="2026-06-18 10:09:08" OcenaSkupna="0" StPodgradiv="0" StudijskiProgramEvsID="1000319" JeIndeksirano="0" JeVecAvtorjev="0" DovoliZahtevkeZaDostop="0">
  <PID Url="http://hdl.handle.net/20.500.12556/RUL-124547">20.500.12556/RUL-124547</PID>
  <Naslov>MASIVNO VZPOREDNE BINARNE NEVRONSKE MREŽE ZA PROGRAMIRLJIVA VEZJA</Naslov>
  <Podnaslov></Podnaslov>
  <TujJezik_Naslov>MASSIVELY PARALLEL BINARY NEURAL NETWORKS FOR PROGRAMMABLE CIRCUITS</TujJezik_Naslov>
  <TujJezik_Podnaslov></TujJezik_Podnaslov>
  <Opis>Načrtovanje učinkovitih algoritmov strojnega učenja za obdelavo podatkov na
robu je v zadnjih letih v ospredju akademskega in industrijskega raziskovalnega
dela. Da bi zadostili zahtevam aplikacij in omejitvam strojne opreme na robu
(zakasnitev, poraba, velikost), so razvili binarne nevronske mreže ter njihove masivno
vzporedne različice. Binarne nevronske mreže, izvedene v čisto kombinacijskih
oziroma asinhronih vezjih, zagotavljajo učinkovito porabo virov in izjemne
hitrosti. V disertaciji podrobno opisujem in raziskujem vzporedne kombinacijske
binarne nevronske mreže za programirljiva vezja FPGA in njihovo uporabo v
aplikacijah robnega računalništva, kar vključuje učenje, gradnjo in implementacijo
mrež. Razvil sem orodje za visokonivojsko sintezo strojno opisne kode vezij
masivno vzporednih binarnih nevronskih mrež. Orodje omogoča hitro učenje
in gradnjo za poljubno učno množico oziroma aplikacijo. Z uporabo razvitega
orodja sem zgradil, naučil in sintetiziral mreže za primere robnih aplikacij, kot
so strojni vid, razvrščanje internetnih paketov ter eksperimentalno fiziko. Sinteza
pokaže, da MPBNN dosegajo zakasnitve pod 30 ns za vse primere aplikacij,
kar omogoča hitro razvrščanje v robnih sistemih obdelave podatkov. Poleg
tega je močnostna poraba nižja, kot v primerljivih delih kvantiziranih nevronskih
mrež. Število potrebnih vpoglednih tabel za vse primere ne preseže 60 tisoč, kar
omogoča implementacijo v nižjem cenovnem razredu čipov FPGA. Sintetizirane
mreže so v primerjavi z bolj zmogljivimi mrežami po številu plasti in nevronov
med manjšimi. Tako prejšnja dela, kot tudi sam ugotavljam, da je potrebno razviti
nove arhitekture vezij oziroma optimizacijske tehnike za zmanjšanje velikosti
logike. Zaradi tega sem razvil, opisal in vgradil v orodje tri nove optimizacijske
algoritme, ki omogočajo izvedbo bolj učinkovitih vezij za vzporedne binarne
mreže. Prvi algoritem išče podobnosti med utežmi nevronov, da zmanjša število
potrebnih seštevalnikov. Rezultati kažejo, da predlagana optimizacija v primerjavi z neposredno izvedbo, doseže izboljšavo v velikosti logike za 24.7 % pri vezju
za strojni vid, 39.9 % pri vezju za eksperimentalno fiziko in 38.1 % pri vezju za
razvrščanje omrežnih paketov. Poleg tega je mogoče opaziti izboljšave močnostne
porabe od 37.5 % do 51.9 %. Za preizkus drugega algoritma, ki išče podobnosti
med zaporednimi nevroni, sem mreže zgradil specifično za aplikacije razvrščanja
internetnih paketov. Majhne mreže sem naučil na bazah NSL-KDD ter UNSWNB15
in dosegel točnosti od 77.77 % do 98.96 %, ki so primerljive s podobnimi
deli. Sinteza pokaže, da takšne optimizirane mreže porabijo od 8606 do 17990
vpoglednih tabel ter imajo zakasnitev do 19 ns, kar omogoča uporabo v modernih
hitrih internetnih omrežjih. Za preizkus tretjega algoritma, ki združuje skupke
nevronov, sem razvil celoten postopek zaznave ladij iz satelitskih slik. Postopek
vključuje algoritme predobdelave, koraka sklepanja kombinacijskih mrež na
FPGA ter algoritme poobdelave. Vezje doseže zakasnitev do 38.2 ns z 0.425 W
porabe in samo 19000 vpoglednih tabel. To omogoča uporabo vezja v poceni
FPGA sistemih in z visokim številom sličic na sekundo.</Opis>
  <TujJezik_Opis>Designing efficient machine learning algorithms for near-sensor data processing on
the edge has been at the research forefront in recent years. To achieve the required
edge processing constraints, massively parallel binary neural networks have been
developed. Binary neural networks implemented in purely combinational circuits
provide resource utilization efficiency and performance. This thesis describes and
researches massively parallel combinational binary neural network logic and how
it is to be used in real-world deployment situations which include training and
constructing networks for a variety of examples. A high-level synthesis toolchain
is designed, which enables users to produce the hardware description language
models of combinational binary neural networks circuits directly from application
datasets. Standard and optimized combinational architectures are built for
different edge processing applications by using this toolchain. For machine vision,
Ethernet packet calssification, and experimental physics as edge processing
examples, a hardwired Verilog hardware description language code is built using
the toolchain. It is synthesized for an FPGA system to create designs for a
set of concrete edge processing problems. Synthesis results show that massiveley
parallel binary neural networks use minimal resources and achieve less than 30
ns inference delays, which is crucial for high-speed applications, less than 2 W
power consumption and less than 60, 000 FPGA slices. This shows that parallel
binary neural networks enable efficient hardware machine learning performance
for a variety of edge processing problems. However, both from these examples and
previous work done it is concluded that more efficient circuit design and optimization
algorithms are still needed. Therefore, I design, describe, and implement into
the toolchain three novel optimization techniques that require fewer adders and
overall operations for parallel neuron activation computations. The first proposed
optimization algorithm looks for similarities between the nerurons to reduce the
amount and size of adders needed. It reaches a 39.9 % improvement in terms of
FPGA slice usage, a 28.2 % improvement in nets used, and a 51.9 % reduction in
power consumption compared to the naive implementation. By using the second
optimization algorithm, called the genetically optimized ripple architecture, the
networks are constructed and trained with the aim of tackling the problem of
classifying Ethernet packets efficiently for intrusion detection systems. Shallow,
single-hidden-layer binary neural networks are trained on benchmark NSL-KDD
and UNSW-NB15 datasets and achieve accuracy rates (77.77 % to 98.96 %) comparable
to those of similar compact networks used for detecting intrusions. These
networks are then implemented in FPGA using this novel combinational ripple
architecture, which is optimized using a genetic algorithm and uses neuron-toneuron
similarities to achieve state-of-the-art performance in terms of resource
usage (8, 606 to 17, 990 lookup tables) and classification latency (16–19 ns). With
the third optimization algorithm we presents the development and simulation of
a ship-detecting edge-processing system for deployment on an aerial FPGA platform.
A ship detection chain was developed with imager-specific pre-processing
algorithms, massively parallel FPGA neural network inference, and host postprocessing
procedures. The ship detection binary neural network implemented
in combinational logic that enables high frame and detection rates, and achieves
93.59 % patch classification accuracy. A new algorithm for optimizing a combinational
binary neural network circuit is presented that merges multiple neurons in
a network layer taking advantage of similarities between neuron weights, which
leads to lower adder logic size and power consumption. Thus, state-of-the-art
performance is achieved in comparison to the naive implementation and similar
previous works using combinational binary neural networks, achieving 38.2 ns
inference latency, 0.425 W of power dissipation, and only 19, 000 FPGA slices.</TujJezik_Opis>
  <KljucneBesede>
    <Beseda>binarne nevronske mreže</Beseda>
    <Beseda>masivno vzporedne nevronske mreže</Beseda>
    <Beseda>robno računalništvo</Beseda>
    <Beseda>robna obdelava podatkov</Beseda>
    <Beseda>FPGA</Beseda>
    <Beseda>kombinacijska vezja</Beseda>
  </KljucneBesede>
  <TujJezik_KljucneBesede>
    <Beseda>binary neural networks</Beseda>
    <Beseda>massively parallel neural networks</Beseda>
    <Beseda>edge processing</Beseda>
    <Beseda>FPGA</Beseda>
    <Beseda>combinational circuits</Beseda>
  </TujJezik_KljucneBesede>
  <Potrjeno>true</Potrjeno>
  <JeZaklenjeno>false</JeZaklenjeno>
  <JeRecenzirano>false</JeRecenzirano>
  <Zaloznik></Zaloznik>
  <Izvor></Izvor>
  <Jezik ID="1060" ISO639-3="slv">Slovenski jezik</Jezik>
  <TujJezik ID="1033" ISO639-3="eng">Angleški jezik</TujJezik>
  <Povezave></Povezave>
  <Pokrivanje></Pokrivanje>
  <CasovnoPokritje></CasovnoPokritje>
  <AvtorskePravice></AvtorskePravice>
  <VrstaGradiva ID="mb31" DRIVER="info:eu-repo/semantics/doctoralThesis">Doktorsko delo/naloga</VrstaGradiva>
  <DatumVstavljanja>2021-01-31 17:40:01</DatumVstavljanja>
  <DatumObjave>2021-01-31 17:40:18</DatumObjave>
  <DatumSpremembe>2022-09-04 04:00:06</DatumSpremembe>
  <DatumTrajnegaHranjenja>0000-00-00 00:00:00</DatumTrajnegaHranjenja>
  <LetoIzida>2021</LetoIzida>
  <LetoIzidaDo>0</LetoIzidaDo>
  <KrajIzida></KrajIzida>
  <LetoIzvedbe>0</LetoIzvedbe>
  <KrajIzvedbe></KrajIzvedbe>
  <Opomba></Opomba>
  <StStrani></StStrani>
  <StevilcenjeNivo1></StevilcenjeNivo1>
  <StevilcenjeNivo2></StevilcenjeNivo2>
  <Kronologija></Kronologija>
  <Patent_Stevilka></Patent_Stevilka>
  <Patent_DatumVeljavnosti>0000-00-00</Patent_DatumVeljavnosti>
  <VerzijaDokumenta>NiDoloceno</VerzijaDokumenta>
  <StatusObjaveDrugje>NiDoloceno</StatusObjaveDrugje>
  <VrstaStroskaObjave>NiDoloceno</VrstaStroskaObjave>
  <DatumPoslanoVRecenzijo>0000-00-00</DatumPoslanoVRecenzijo>
  <DatumSprejetjaClanka>0000-00-00</DatumSprejetjaClanka>
  <DatumObjaveClanka>0000-00-00</DatumObjaveClanka>
  <EmbargoDo>1970-01-01</EmbargoDo>
  <VrstaEmbarga ID="1" Naziv="Takojšnja javna objava" OpenAIREDostop="openAccess"></VrstaEmbarga>
  <Osebe>
    <Oseba ID="71835" Ime="TADEJ" Priimek="MUROVIČ" AltIme="" VlogaID="70" VlogaNaziv="Avtor" ConorID="" Afiliacija="" ArrsID="0" ORCID=""></Oseba>
    <Oseba ID="28887" Ime="Andrej" Priimek="Trost" AltIme="" VlogaID="991" VlogaNaziv="Mentor" ConorID="" Afiliacija="" ArrsID="0" ORCID=""></Oseba>
  </Osebe>
  <Identifikatorji>
    <Identifikator ID="16" Sifra="VisID" Naziv="VisID" URL="">47441</Identifikator>
  </Identifikatorji>
  <Datoteke>
    <Datoteka ID="140065" DatotekaNRID="11570175" NamenDatotekeID="2" NamenDatoteke="Predstavitvena datoteka" FormatDatotekeID="2" FormatDatoteke=".pdf" MIME="application/pdf" IkonaFormata="pdf.png" IkonaFormataPolniUrl="https://repozitorij.uni-lj.si/teme/rulDev/img/fileTypes/pdf.png" VelikostDatoteke="4483314" VelikostDatotekeKratko="4,28 MB" DatumVstavljanja="2021-01-31 17:40:19" JeZbrisana="false" JeJavnoVidna="true" JeIndeksirana="true" JeVidno="true" VidnoOd="01.01.1970" Zaporedje="0">
      <Naziv>Murovic_Tadej_-_MASIVNO_VZPOREDNE_BINARNE_NEVRONSKE_MREZE_ZA_PROGRAMIRLJIVA_VEZJA.pdf</Naziv>
      <OrgNaziv>Murovic_Tadej_-_MASIVNO_VZPOREDNE_BINARNE_NEVRONSKE_MREZE_ZA_PROGRAMIRLJIVA_VEZJA.pdf</OrgNaziv>
      <URL></URL>
      <Opis></Opis>
      <OpisTujJezik></OpisTujJezik>
      <UrlObdelave></UrlObdelave>
      <FrekvencaAzuriranjaID>1</FrekvencaAzuriranjaID>
      <Verzija></Verzija>
      <MD5>BCC0ABEA6813E031D147DF6E1D9467B4</MD5>
      <SHA256>3823517ac968b4dbcdbfb5cba0211d0d138801e88eeef28140bb0a4ddd57b284</SHA256>
      <UUID>9447cdaf-a1bb-11eb-a523-00155dcfd717</UUID>
      <PID></PID>
      <PrenosPolniUrl>https://repozitorij.uni-lj.si/Dokument.php?lang=slv&amp;id=140065</PrenosPolniUrl>
      <Vsebine>
        <Vsebina TipVsebine="GoloBesedilo" JezikID="1060" Oznaka="" Dolzina="224834"></Vsebina>
      </Vsebine>
    </Datoteka>
  </Datoteke>
  <Organizacije>
    <Organizacija OrganizacijaID="27" Kratica="FE" ZavodEvsID="0000060" Logo="" LogoPolniUrl="https://repozitorij.uni-lj.si/teme/rulDev/img/logo/">Fakulteta za elektrotehniko</Organizacija>
  </Organizacije>
  <OrganizacijeVira>
  </OrganizacijeVira>
  <MetodeZbiranjaPodatkov>
  </MetodeZbiranjaPodatkov>
  <TipologijaDela ID="0" Koda="0" Naziv="Ni določena" SchemaOrg="CreativeWork"></TipologijaDela>
  <Ostalo>
    <StIrodsDatotek>0</StIrodsDatotek>
    <StDatotekPodTrajnimEmbargom>0</StDatotekPodTrajnimEmbargom>
    <StDatotekZOmejenimDostopom>0</StDatotekZOmejenimDostopom>
  </Ostalo>
</Gradivo>
