PEST：由PYNQ集群实现的高能效NEST类脑仿真器

来源：计算机科学与探索杂志2021年第11期北京时间：

作者：李佩琦，郁龚健，华夏，刘家航，柴志雷

单位：1. 江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 2141222. 江南大学 人工智能与计算机学院，江苏 无锡 2141223. 江苏省模式识别与计算智能工程实验室，江苏 无锡 214122

摘要：高性能且低功耗地进行大规模类脑仿真是类脑计算所需解决的最具挑战的问题之一。目前类脑计算的实现方式主要分为硬件实现和软件实现两种。通过硬件实现的专用类脑计算芯片与系统可以提供更佳的能效指标，但代价高、适应性差；基于软件方式的仿真（如NEST）拥有完整的应用生态，可用性好但存在计算速度慢的问题。如果将两种实现方式相结合，通过软硬件协同设计，可以在保证良好应用生态的同时获得更高的计算能效，提出了一种基于FPGA异构平台PYNQ集群的NEST类脑仿真器的高能效实现（PEST）。通过构建大规模PYNQ集群，设计软硬件数据交互接口实现基于NEST仿真器的规模可伸缩类脑计算系统，针对IAF神经元进行FPGA硬件电路设计，利用MPI分布式计算等方式提升了NEST计算效率。实验结果表明：针对不同的计算模型，在PYNQ集群最佳适配情况下，PEST上神经元更新部分的性能相比AMD 3600X提升超过4.6倍，相比Xeon 2620提升超过7.5倍；PEST的更新能效比相比3600X提升超过5.3倍，相比Xeon 2620提升超过7.9倍。

关键词：类脑计算,脉冲神经网络,NEST仿真器,现场可编程门阵列（FPGA）,PYNQ框架