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2021年  第38卷  第10期

专题与综述
信息处理微系统的发展现状与未来展望
唐磊, 匡乃亮, 郭雁蓉, 刘莹玉
2021, 38(10): 1-8. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.1098
摘要(192) HTML (63) PDF (55)
摘要:
受中美国际关系的影响,一段时间内,集成电路工艺制程可能难以突破;同时,先进半导体工艺将带来高昂的集成电路开发成本,已经不适应于军用信息处理领域的发展需求.信息处理微系统可在微纳尺度集成各种成熟技术,通过系统优化设计,一定程度摆脱半导体工艺及器件代差的制约与跟仿,提高质量水平的前提下大幅缩短研制周期,解决装备的自主可控和研制效率问题.本文调研了信息处理微系统技术的国内外研究现状,提炼并总结了该技术的特点,从互连接口与协议、封装技术以及质量控制等方面分析了面临的挑战;从设计、工艺、测试和可靠性四个方面对信息处理微系统的研究趋势进行了展望,并提出了发展建议.
人工智能与算法
基于MDFPF-ResNet的红外手掌图像关键点定位
何小平, 潘晴, 田妮莉
2021, 38(10): 9-14. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0135
摘要(141) HTML (82) PDF (31)
摘要:
手诊作为一种能够推理人体器官健康状况的辅助诊断方法,在中医和智能中医的发展中占据着重要的地位.针对现有的红外图像关键点定位方法存在定位不准确的问题,提出一种多尺度空洞卷积特征金字塔融合的残差网络应用于红外手掌图像关键点定位的方法.在每个特征金字塔融合模块中,采用了空洞卷积的金字塔层级与改进型Bottleneck模块的并联结构,在增大感受野的同时,提升了残差网络的泛化能力;并将多个多尺度空洞卷积特征金字塔融合模块级联以逐步获取高层语义特征,在输出端加入全连接层和Dropout层得到关键点定位坐标.通过实验表明,所提方法在红外手掌九宫格图像上具有更好的定位性能,并具有较强的鲁棒性.
多头自注意力机制Siamese网络文本相似度计算方法
曹小鹏, 周凯强
2021, 38(10): 15-20. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0141
摘要(149) HTML (96) PDF (33)
摘要:
文本相似度的计算是自然语言处理的核心问题.现有的文本相似度计算方法,存在对于深层次的语义信息提取的不充分,且对长文本的相似度计算能力有限的问题.针对现有文本相似度计算方法的缺陷,提出一种基于多头自注意力机制的Siamese网络,利用双向GRU为基础的Siamese模型精确提取文本样本中上下文的语义信息,同时加入多头自注意力机制学习长文本深层次的语义信息.在公开的SICK数据集上,实验结果表明加入多头自注意力机制的Bi-GRU Siamese网络模型可以学习到长文本深层次的语义信息,对比其他的文本相似度的计算方法,相关系数显著提升,处理长文本效果较好.
复杂环境下多任务识别的人脸口罩检测算法
万子伦, 张彦波, 王多峰, 孙怡晨, 谷沣洋, 陈明月
2021, 38(10): 21-27. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0056
摘要(158) HTML (70) PDF (21)
摘要:
疫情期间正确的佩戴口罩可以有效的防止病毒的传播,针对人员密集场所环境下往往存在复杂的干扰因素会导致对人脸佩戴口罩的检测任务产生影响,现有的基于Faster R-CNN检测算法无法满足复杂环境小目标的口罩佩戴检测,从而提出了一种基于改进Faster R-CNN的口罩佩戴检测算法,将传统的单一RPN网络模型改进使用多任务增强RPN模型以提高检测识别精度,利用改进的Soft-NMS算法删除区域候选网络输出的冗余候选框.同时使用了性能更好的CIoU损失函数替换了原本的IoU损失函数,充分考虑了目标与检测框之间的中心点距离,从而提高了检测的准确性将3000个样本图像按1 ∶3的正负样本数目比例对模型进行训练和实验验证.实验结果表明,与Faster R-CNN算法相比,本文算法分别在人脸检测精度和人脸口罩佩戴检测精度提高了7.15%和15.99%.其平均检测精度提升了11.57%,FPS提高了4.6.
融合收敛因子和樽海鞘群的蝴蝶优化算法
郑洪清, 彭石燕, 周永权
2021, 38(10): 28-34. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0022
摘要(176) HTML (110) PDF (15)
摘要:
针对蝴蝶优化算法存在收敛速度慢、寻优精度差和易陷入局部最优等缺陷,提出融合收敛因子和樽海鞘群的蝴蝶优化算法.受灰狼算法和樽海鞘群算法的启发分别将收敛因子融入全局位置和局部位置更新处,提高算法的寻优精度;再结合樽海鞘群领导机制,平衡了算法的全局搜索和局部勘探能力.通过17个基准函数的测试,所有实验结果表明采用综合改进策略的算法在收敛速度、寻优精度和鲁棒性方面具有一定优势.
图像处理
基于Matlab的暗场图像处理算法研究
董玥萌, 杜谦, 张文嘉, 刘国华
2021, 38(10): 35-41. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0078
摘要(107) HTML (118) PDF (17)
摘要:
为了克服传统暗场图像处理误差较大、重复性较差等问题,文章提出一种暗场光谱分析算法.此算法以Matlab为平台,在暗场环境下通过图像膨胀等方法对金纳米粒子进行精确识别并计算亮度,同时考虑光谱标准化、除去污染物杂质等问题,然后重建单粒子散射峰并记录其光谱特性.金纳米棒检测实验结果表明,此算法相较于根据粒子亮度进行二值化处理的传统方法在识别粒子上更加灵活精确,粒子识别率可达91.33%,粒子拟合的准确率提升了15.59%.此算法还可以批量检测粒子在结合前后的光谱特性,数据结果与理论值相符,数据处理效果良好,为暗场图像处理领域提供了更灵活、快速、准确性高的新型算法.
基于Shearlet变换和Hu矩的零水印算法
钟慧妍, 李国东
2021, 38(10): 42-48. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0020
摘要(78) HTML (78) PDF (7)
摘要:
数字水印技术被广泛应用于版权保护,为了更好地实现版权保护,增强水印算法的鲁棒性与不可感知性,兼顾几何攻击与非几何攻击的抵抗能力,提出一种基于Shearlet变换和Hu矩的零水印算法.对载体图像进行Shearlet变换和分块离散余弦变换,并分块计算Hu矩以构建特征矩阵,进而构造零水印.构造零水印前使用Kent混沌映射加密,保障了安全性.在仿真实验中对不同纹理的图像进行常见的高强度单一攻击以及组合攻击.结果表明,归一化互相关数值均高于0.99,峰值信噪比均高于75.80.该水印方案有完美的不可感知性,且能够抵御高强度的常见攻击及组合攻击,具有较强的鲁棒性.
网络与通讯
年轮式水下无线传感器网络节点深度自调节优化部署方法
闫雒恒, 贺昱曜
2021, 38(10): 49-56. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0234
摘要(72) HTML (50) PDF (6)
摘要:
为提高水下无线传感器网络覆盖率,同时解决因通信能量消耗不均衡而造成网络无法正常使用的问题,本文提出一种“年轮式”水下无线传感器网络节点深度自部署算法.采取年轮式构建网络的以Sink节点为根节点的非均匀全连通树结构;在计算节点下潜深度时,构建基于覆盖利用率和能量均衡的优化模型,实现针对基准节点的全局最优深度计算.仿真实验结果表明,本文部署方法形成的网络拓扑结构,不但在确保全连通的前提下提升了网络覆盖率,而且有效均衡不同区域网络能耗,提高了后期使用网络的可靠性,有效延长了网络寿命.
基于分簇无线传感网的高能效数据融合算法
陶洋, 张晋铭, 杨柳
2021, 38(10): 57-64. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0095
摘要(121) HTML (65) PDF (6)
摘要:
无线传感器网络通常能量有限且容易受到环境干扰,为了提高无线传感器网络的能效并保障数据的可靠性,提出一种基于分簇无线传感网的高能效数据融合算法(EEDFA).EEDFA在分簇结构的网络中运行,数据的采集与传输过程分为多个周期,传感器在周期内的多个时隙采集数据形成数据向量.每个周期传感器将采集到的数据向量进行降维以降低传输负载,同时考虑环境干扰利用区间二型模糊系统生成数据可靠性因子以保障数据的可靠性.各簇头接收来自成员节点的数据进行分布式处理,利用相似度函数去除冗余数据,将融合后的数据发送至下一跳簇头或基站.仿真结果表明,与PFF、REDA、SCDRE相比,EEDFA具有较低的带宽占用率和能耗,同时具有较高的数据准确率.
基于节点度序列的软件定义网络节能算法
张梅琼
2021, 38(10): 65-72. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0059
摘要(109) HTML (51) PDF (1)
摘要:
软件定义网络(Software Defined Network,SDN)在快速发展中面临许多新挑战,其中网络能耗问题尤为突出.学者们针对网络能耗问题提出了众多减少网络能耗的节能方案,但当前已有的方案存在需要实时流量数据,不易部署,连通性能失衡等问题.因此,提出一种基于节点度序列的SDN网络节能算法(Software Defined Network Energy Efficient Algorithm based on degree sequence of nodes,SDNEEA).该方法利用SDN网络拓扑的节点度序列选择休眠链路实现网络节能,同时通过代数连通度解决网络节能与网络连通性失衡问题,仅需网络拓扑图论参数,无需网络实时流量数据矩阵.通过实验结果表明,SDNEEA算法无需复杂的计算代价,可实现在NSFNet均值为36.7%、Abilene均值为33.1%的节能率,且节能网络连通性得到保证,为部署SDN绿色节能网络提供一种新的方案.
计算机工程与应用
基于客户端-服务器的容错神经网络训练架构
何梦, 许达文
2021, 38(10): 73-78. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0035
摘要(117) HTML (74) PDF (10)
摘要:
为了实现低功耗和实时推理,AIoT设备近年来被应用于深度学习中的多个领域.然而,一些制造工艺导致AIoT设备在推理时会出现软错误.对于具有大量计算的神经网络加速器来说,可能会导致大量的计算误差和巨大的预测精度损失,这对于像自主无人机这样精度敏感的应用来说是无法忍受的.而传统的容错技术(如三重模块化冗余)会带来相当大的功耗和性能损失.本文提出了一种客户端-服务器协同的容错神经网络训练框架.在训练中采用带有软错误的AIoT处理器作为客户端,然后服务器端通过AIoT设备的应用数据学习到计算错误.实验中选取了多个具有代表性的神经网络模型.相比于离线训练的模型,该方法训练的模型使神经网络的top5精度平均提高2.8%.
数字电路与系统
基于高带宽存储器的RNN加速设计
吴茜凤, 巩杰, 范军, 何虎
2021, 38(10): 79-84. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.002310.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0023
摘要(91) HTML (57) PDF (12)
摘要:
针对循环神经网络的算法性能受带宽限制问题,设计了基于HBM存储器的循环神经网络加速SoC,可通用的支持RNN及其变体的推理过程.首先比较RNN及其变体结构,分析算法计算需求和存储带宽需求.然后,提出基于HBM的高带宽加速器设计,将其部署在VCU128开发板上.最后采用Roofline模型分析方法,提高带宽和计算密度,测试DeepSpeech2和GNMT算法的推理平均性能分别为61.74 GFLOPs/sec,20 GFLOPs/sec.对比基于DDR存储器的设计,性能提高3.68倍.对比其他基于FPGA循环神经网络加速的浮点32位设计,性能提高8.5倍.该设计提出了针对3D高带宽存储器的数据调用方法,并能适应不同的循环神经网络应用.
一种低功耗时钟树的设计和优化方法
朱佳琪, 陈岚, 王海永
2021, 38(10): 85-90. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0015
摘要(241) HTML (72) PDF (8)
摘要:
本文研究纳米工艺下低功耗时钟树的设计和优化方法.以时钟信号的转换时间和负载电容作为实现时钟树低功耗的两个设计变量,基于时钟网络的寄生电阻-电容模型,分析出金属布线宽度减小、间距变大可以降低时钟树功耗,但是,该方法会对时钟树的时序产生影响.于是,本文提出一种以低功耗和低时序违例为联合约束条件的时钟树设计和优化方法,并给出了低功耗时钟树综合设计流程.实验证明,与一般经验设计相比,本文提出的时钟树设计和优化方法在典型情况下可以降低时钟网络的动态功耗10.3%,总的时序违例降低7.07%.
模拟与混合信号电路
一种电流注入补偿的电容测量电路
杨柳, 段威, 李逸凡, 任仟, 宋敏
2021, 38(10): 91-96. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0052
摘要(115) HTML (65) PDF (6)
摘要:
电容式触摸屏测量系统主要实现电容到数字信号的转换,但芯片IO及PCB板上存在的寄生电容会严重影响电容测量电路中微小感应电容的测量精度.针对该问题,提出了一种基于电流注入的补偿时间可调的电容测量电路. 详细分析了电路中存在的失配误差,进一步改善了电容测量的精度,适当改变电路中相关量的参数值,可有效提高电容测量的动态范围. 基于SMIC 0.18 μm标准CMOS工艺进行电路设计,整体版图面积约为0.21 mm2. 采用Spectre工具对电路进行仿真,结果表明:该电容测量电路在-40 ℃~125 ℃范围内,测量0~1 pF的感应电容,转换时间约为50 μs,分辨率可达到1 fF,转换得到12位数字信号的信噪比为70.1 dB,有效位数为11.56 bit,电源电压为1.8 V,总功耗为0.19 mW.
一种宽带毫米波注入锁定分频器电路的设计方法
朱迪, 张钊锋
2021, 38(10): 97-102,108. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0060
摘要(103) HTML (70) PDF (5)
摘要:
提出了一种宽带毫米波注入锁定分频器电路(ILFD)的设计方法,并基于40 nm CMOS工艺设计了一款验证电路.为了解决传统毫米波ILFD锁定范围有限的难题,采用基于变压器的高阶谐振腔技术产生相位的纹波响应,从而有效地拓展了锁定范围;为了降低毫米波振荡器电路中交叉耦合对的栅寄生电容对于谐振频率的影响,同时确保高阶谐振腔产生的相位纹波形态不变,提出了一种感性分割反馈技术,通过压缩差分对的栅寄生电容对谐振网络总电容的贡献,实现了谐振频率增强;基于修正后的LC型注入锁定分频器模型,推导了锁定条件和锁定范围.绘制电路版图并后仿,结果表明,在0.8 V电源电压下实现了52.6~76.4 GHz(36.9%)的锁定范围; 在电源电压0.62 V下,实现了50~79.1 GHz(45.1%)的锁定范围,功耗为2.9 mW,FoM值为10.0 GHz/mW.
一种28Gbps高速SERDES发射器
付玉山, 马奎, 唐重林, 梁蓓
2021, 38(10): 103-108. doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.0017
摘要(119) HTML (60) PDF (9)
摘要:
介绍了一种基于源串联终端(Source-Series Terminated) 驱动结构的高速(28Gbps)SERDES发射器设计.详述了整个TX的架构与原理;采用数模混合控制的时钟占空比校准(DCC)电路,有效降低了DCD; 并且改进了一种基于SST结构的阻抗调谐与加重均衡解耦的发射单元结构,大大降低了逻辑控制的复杂程度.该发射器电路可用于对传输速率要求在1 Gbps~28 Gbps的FPGA.设计采用了中芯国际14 nm FinFET工艺制作,样品测试结果显示,输出速率在28 Gbps速率下时,发射器指标满足PCIE 4.0协议标准.