초소형 스마트 센서 시스템의 심방세동 탐지를 위한 사전 계산된 1D-CNN

1D-CNN(1차원 합성곱 신경망)은 생체 신호 분석, 예측 유지보수(Predictive Maintenance) 또는 구조물 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring)과 같은 초소형 스마트 센서 시스템의 시계열 분석(Time-series analysis)에서 중요한 역할을 합니다. LUT(Lookup Table) 기반의 사전 계산(Precomputation)은 이러한 신경망을 FPGA(Field Programmable Gate Array)에 구현하기 위한 흥미로운 최적화 기술로 등장했습니다. 핵심 아이디어는 신경망 계층의 가능한 모든 출력을 미리 계산하여 FPGA의 LUT에 직접 저장하는 것입니다. 이를 통해 초저지연(Ultra-low latency)을 갖춘 매우 자원 효율적인 네트워크를 구현할 수 있지만, 확장성(Scalability)이 떨어진다는 단점이 있습니다. 기존 연구에서는 확장성을 개선하기 위해 depthwise-separable convolutions(깊이별 분리 합성곱)를 사용하는 방안을 탐구했습니다. 본 논문에서는 이 접근 방식을 일반화하여 추가적인 형태의 grouped convolutions(그룹화된 합성곱)를 고려합니다. 이를 바탕으로, 우리는 새로운 유형의 합성곱 블록(Convolutional block)과 이 블록의 하이퍼파라미터(Hyper parameters) 선택을 안내하는 알고리즘을 제안합니다. 우리는 MIT-BIH 데이터베이스(ECG 기록)를 사용하여 심방세동(Atrial fibrillation)을 예측하기 위한 의료 시계열 데이터셋에서 우리의 접근 방식을 평가합니다. 결과물인 하드웨어 가속기는 AMD Spartan 7 S15에 배포될 수 있을 만큼 충분히 작습니다. 이들은 단 2,844개의 LUT만을 필요로 하며 DSP나 BRAM을 전혀 사용하지 않으면서도 최대 95%의 F1-Score를 달성합니다.