徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片ZISC78及其應(yīng)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(xí)功能的徑向基函數(shù)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(tǒng)中進行船舶運動實時預(yù)報的應(yīng)用方法。

１　引言

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

船舶在波浪中航行，會受到風(fēng)、浪和流的影響，因而將不可避免地發(fā)生搖蕩運動。嚴重的搖蕩會使船員工作效率下降、物品損壞、軍艦的戰(zhàn)斗力下降。如果能夠預(yù)知未來一段時間船舶的運動情況，不僅有利于盡早采用先進控制算法控制艦載武器平臺隔離船舶運動的影響，使其始終穩(wěn)定瞄準目標，而且還可獲得未來一個海浪周期內(nèi)的船舶運動情況，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的短期預(yù)報。此外，如能有效準確地預(yù)報船舶的橫搖運動，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(jié)構(gòu)

國內(nèi)外學(xué)者也將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于船舶運動預(yù)報研究，但往往沒有考慮實時性等實現(xiàn)問題，因而不能實用化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)技術(shù)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的一個重要方面。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)可分為全硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)兩種。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)還主要以軟件模擬為主，由于現(xiàn)行的馮諾曼計算機體系結(jié)構(gòu)不能實現(xiàn)并行計算，因而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件的實時應(yīng)用還受到一定限制。

目前，一些著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(shù)字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，這些芯片無論在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模還是運行速度上都已接近實用化的程度，因而給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的發(fā)展以極大的推動。由于艦載武器系統(tǒng)，需選用具有在片學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，即將網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練所需的反饋電路及權(quán)值存儲、計算和修正電路都集成在了一個芯片，因而可實現(xiàn)全硬件的、具有自學(xué)習(xí)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也可以說，這是一種具有自適應(yīng)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、在線學(xué)習(xí)、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的特點如下：

●內(nèi)含７８個神經(jīng)元；

●采用并行結(jié)構(gòu)，運行速度與神經(jīng)元數(shù)量無關(guān)；

●支持ＲＢＦ／ＫＮＮ算法；

●內(nèi)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(jié)寬度向量；

●Ｌ１或ＬＳＵＰ范數(shù)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(jié)構(gòu)

ＺＩＳＣ７８采用的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)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，通常處于這種狀態(tài)。

(２)準備學(xué)習(xí)狀態(tài)：任何時侯，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)：一個包含有原型和類型的神經(jīng)元處于委托狀態(tài)。

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

(５)退化狀態(tài)：當一個神經(jīng)元的原型處于其它神經(jīng)元類型空間內(nèi)，而大部分被其他神經(jīng)元類型空間重疊時，這個神經(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(jié)構(gòu)可以看出，所有神經(jīng)元均通過“片內(nèi)通信總線”進行通信，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有神經(jīng)元的“真正” 并行操作。“片內(nèi)通信總線”允許若干個ＺＩＳＣ７８芯片進行連接以擴大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，而這種操作不影響網(wǎng)絡(luò)性能。