徑向基函數神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )芯片ZISC78及其應用

摘要：ZISC78是IBM公司和Sillicon公司聯(lián)合生產(chǎn)的一種具有自學(xué)習功能的徑向基函數神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )芯片，文中主要介紹了ZICS78芯片的功能、原理，給出了ZISC78神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )芯片在艦載武器系統中進(jìn)行船舶運動(dòng)實(shí)時(shí)預報的應用方法。

１　引言

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是近年來(lái)得到廣泛關(guān)注的一種非線(xiàn)性建模預報技術(shù)。它具有自組織、自學(xué)習、自適應和非線(xiàn)性處理、并行處理、信息分布存儲、容錯能力強等特性，對傳統方法效果欠佳的預報領(lǐng)域有很強的吸引力?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò )的非線(xiàn)性信息處理方法已應用于軍事信息處理及現代武器裝備系統的各個(gè)方面，并有可能成為未來(lái)集成智能化的軍事電子信息處理系統的支撐技術(shù)。該技術(shù)在一些先進(jìn)國家已部分形成了現實(shí)的戰斗力。

船舶在波浪中航行，會(huì )受到風(fēng)、浪和流的影響，因而將不可避免地發(fā)生搖蕩運動(dòng)。嚴重的搖蕩會(huì )使船員工作效率下降、物品損壞、軍艦的戰斗力下降。如果能夠預知未來(lái)一段時(shí)間船舶的運動(dòng)情況，不僅有利于盡早采用先進(jìn)控制算法控制艦載武器平臺隔離船舶運動(dòng)的影響，使其始終穩定瞄準目標，而且還可獲得未來(lái)一個(gè)海浪周期內的船舶運動(dòng)情況，以研究船載武器上層的控制策略，從而提高火力密度，因此，有必要研究在海浪中具有一定精度的海浪中船舶運動(dòng)的短期預報。此外，如能有效準確地預報船舶的橫搖運動(dòng)，對于提高船舶的耐波性和適航性也有重要意義。 ２．２ ＺＩＳＣ７８神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構

國內外學(xué)者也將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )用于船舶運動(dòng)預報研究，但往往沒(méi)有考慮實(shí)時(shí)性等實(shí)現問(wèn)題，因而不能實(shí)用化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現技術(shù)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )研究的一個(gè)重要方面。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現可分為全硬件實(shí)現和軟件實(shí)現兩種。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現還主要以軟件模擬為主，由于現行的馮諾曼計算機體系結構不能實(shí)現并行計算，因而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )軟件的實(shí)時(shí)應用還受到一定限制。

目前，一些著(zhù)名集成電路制造公司如Ｉｎｔｅｌ、Ｍｏ-ｔｏｒｏｌａ、松下、日立、富士通等均已推出自己的模擬或數字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )芯片，這些芯片無(wú)論在網(wǎng)絡(luò )規模還是運行速度上都已接近實(shí)用化的程度，因而給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )應用的發(fā)展以極大的推動(dòng)。由于艦載武器系統，需選用具有在片學(xué)習功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )芯片，即將網(wǎng)絡(luò )訓練所需的反饋電路及權值存儲、計算和修正電路都集成在了一個(gè)芯片，因而可實(shí)現全硬件的、具有自學(xué)習能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統，也可以說(shuō)，這是一種具有自適應能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。

２ ＺＩＳＣ７８的功能及工作原理

ＺＩＳＣ７８是由ＩＢＭ公司和Ｓｉｌｌｉｃｏｎ聯(lián)合研制的一種低成本、在線(xiàn)學(xué)習、３３ＭＨｚ主頻、ＣＭＯＳ型１００腳ＬＱＦＰ封裝的ＶＬＳＩ芯片，圖１所示是ＺＩＳＣ７８的引腳排列圖。ＺＩＳＣ７８的特點(diǎn)如下：

●內含７８個(gè)神經(jīng)元；

●采用并行結構，運行速度與神經(jīng)元數量無(wú)關(guān)；

●支持ＲＢＦ／ＫＮＮ算法；

●內部可分為若干獨立子網(wǎng)絡(luò )；

●采用菊花鏈連接，擴展不受限制；

●具有６４字節寬度向量；

●Ｌ１或ＬＳＵＰ范數可用于距離計算；

●具有同步／異步工作模式。

２．１ ＺＩＳＣ７８神經(jīng)元結構

ＺＩＳＣ７８采用的神經(jīng)元結構如圖２所示，該神經(jīng)元有以下幾種狀態(tài)：

(１)休眠狀態(tài)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )初始化時(shí)，通常處于這種狀態(tài)。

(２)準備學(xué)習狀態(tài)：任何時(shí)侯，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中的神經(jīng)元都處于這種狀態(tài)。

(３)委托狀態(tài)：一個(gè)包含有原型和類(lèi)型的神經(jīng)元處于委托狀態(tài)。

(４)激活狀態(tài)：一個(gè)處于委托狀態(tài)的神經(jīng)元，通過(guò)評估，其輸入矢量處于其影響域時(shí)，神經(jīng)元就被激活而處于激活狀態(tài)。

(５)退化狀態(tài)：當一個(gè)神經(jīng)元的原型處于其它神經(jīng)元類(lèi)型空間內，而大部分被其他神經(jīng)元類(lèi)型空間重疊時(shí)，這個(gè)神經(jīng)元被宣布處于退化狀態(tài)。

從圖３所示的ＺＩＳＣ７８神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構可以看出，所有神經(jīng)元均通過(guò)“片內通信總線(xiàn)”進(jìn)行通信，以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )內所有神經(jīng)元的“真正” 并行操作。“片內通信總線(xiàn)”允許若干個(gè)ＺＩＳＣ７８芯片進(jìn)行連接以擴大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的規模，而這種操作不影響網(wǎng)絡(luò )性能。