流体系结构关键技术研究

论文摘要

流体系结构是近年来出现的一种起源于媒体处理的高性能体系结构,一般采用大规模的运算阵列和多级存储,通过片内并行并结合面向媒体特征的指令,从体系结构角度实现对应用的高性能支持。与通用处理器体系结构相比,这种结构大幅度简化了指令控制和存储逻辑,设置大量的可编程运算功能单元且通信信道可编程,能够较好的解决现有通用处理器面临的计算压力,适应VLSI技术的发展。进一步研究表明,可编程流处理器在媒体应用、信息处理等一系列计算密集型应用上可获得与专用芯片相当的性能。但目前流体系结构还处于原型研究阶段,有许多关键技术值得探索和研究。在这样的背景下,作者选择了“流体系结构关键技术研究”的论文课题。本文对流体系结构进行了深入系统的研究,研究的内容涉及流处理特征、流程序设计模式、流水线的组织、核心级和流级硬件结构、特殊执行机制和系统构成等关键问题。在此基础上设计了MASA-I并实现基于流体系结构的SOPC系统。基于MASA-I流体系结构,本文从VLSI成本开销、多级存储层次容量和带宽、对流应用执行效率等几个方面对多个维度扩展的影响进行深入的分析和研究,并提出了全新的高性能扩展方案和具体设计——多维可扩展流体系结构MASA-II。由于流体系结构是一种对软件依赖度较高的结构,本文对新型流体系结构的软硬件系统融合技术进行研究,重点探讨了异构核的协同以及多个同构核之间协同机制,提出并实现了基于准动态调度的多核协同方案和片外存储空间的流数据共享方案,为高性能流处理器的进一步深入研究和实现工作奠定了坚实的基础。本文还研究了科学计算在流处理器MASA上的映射问题并分析其性能。最后,本文在流处理系统环境中较广泛和深入地研究了应用问题,将多类实际典型应用成功移植到流处理器上,包括信号处理、媒体应用、科学计算等领域的某些核心算法或是整个应用,分核心级和系统级详细评测MASA的性能,对多核流处理器进行了性能评估,这些实验结果为软件和硬件设计提供主要反馈。初步实验结果表明,流体系结构在以媒体、信号处理和科学计算为代表的密集计算领域具有极大潜能,研究还表明多维可扩展流体系结构扩展性好,能较好适应于更高性能、更广泛的流应用,并符合未来VLSI技术的发展趋势,是未来高效能计算中最有优势的体系结构之一。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 VLSI 技术的发展对处理器体系结构的影响
• 1.1.2 应用对体系结构提出新的要求
• 1.1.3 高性能体系结构面临新的挑战
• 1.2 传统的高性能微处理器
• 1.2.1 专用处理器
• 1.2.2 通用微处理器
• 1.2.3 DSP 与可编程的媒体处理器
• 1.3 新型流体系结构的研究现状
• 1.3.1 基于片上存储的VIRAM 体系结构
• 1.3.2 片内多处理机体系结构的代表：RAW 和TRIPS
• 1.3.3 Imagine 和Merrimac 流体系结构
• 1.3.4 CELL 处理器
• 1.3.5 流计算模型Score
• 1.3.6 新型流体系结构小结
• 1.4 论文工作
• 1.5 论文结构
• 第二章流体系结构模型
• 2.1 流处理思想
• 2.2 硬件结构模型
• 2.2.1 解耦合计算和访存
• 2.2.2 多级存储层次
• 2.3 流程序设计模型及程序语言
• 2.3.1 流级程序
• 2.3.2 核心级程序
• 2.3.3 流程序设计框架及实例
• 2.4 面向流体系结构的编译
• 2.4.1 层次化的流编译器结构
• 2.4.2 流级编译
• 2.4.3 核心级编译
• 2.5 流处理实例及与向量的比较
• 2.6 小结
• 第三章MASA-I流处理器设计
• 3.1 设计方法
• 3.1.1 FPGA 设计流程
• 3.1.2 EP25180 器件特性分析
• 3.2 MASA-I 微体系结构
• 3.2.1 MASA-I 系统框架
• 3.2.2 三级存储带宽层次
• 3.2.3 三类并行模式
• 3.3 MASA-I 的指令集体系结构
• 3.3.1 数据类型
• 3.3.2 MASA-I 流级指令集
• 3.3.3 MASA-I 核心级指令集
• 3.4 MASA-I 的流水线体系结构
• 3.4.1 指令执行流水线的组织结构
• 3.4.2 流数据访问流水线的组织结构
• 3.4.3 流水线的数据通路及其相关处理
• 3.4.4 流水线时序
• 3.5 流控制器
• 3.5.1 记分牌
• 3.5.2 流指令发射单元
• 3.6 存储系统
• 3.6.1 地址生成器
• 3.7 运算簇模块的设计
• 3.7.1 运算簇中的寄存器文件和互连开关
• 3.7.2 ALU 模块
• 3.7.3 MUL 模块
• 3.7.4 非运算功能单元：SP、COM
• 3.8 微控制器模块的设计
• 3.8.1 微指令存储器
• 3.8.2 微控制寄存器文件和微控制器条件寄存器文件
• 3.8.3 流缓冲控制接口
• 3.9 片上流寄存器文件的设计
• 3.10 MASA-I 特殊执行机制的设计
• 3.10.1 MASA-I 条件流的执行机制
• 3.10.2 MASA-I 软件流水的执行机制
• 3.10.3 MASA-I 流寄存器文件的仲裁调度
• 3.11 MASA-I 系统的综合与布局布线
• 3.11.1 综合
• 3.11.2 系统布局布线
• 3.11.3 关键路径分析和讨论
• 3.11.4 MASA-I SOPC 系统开发板
• 3.12 小结
• 第四章流体系结构的多维可扩展性研究
• 4.1 流体系结构的扩展性问题
• 4.2 MASA 流体系结构的二维可扩展性
• 4.2.1 簇内扩展
• 4.2.2 簇间扩展
• 4.3 多核扩展
• 4.3.1 多核扩展的动机及其思想
• 4.3.2 面向多核扩展的流处理并行执行模式
• 4.3.3 基于多核可扩展结构的MASA-II 流处理器设计
• 4.3.4 评估分析
• 4.4 小结
• 第五章基于准动态调度的多核协同机制
• 5.1 准动态调度的概念
• 5.2 流处理核间的协同运行
• 5.2.1 多核上的任务划分
• 5.2.2 同构核协同框架
• 5.2.3 多核通讯机制
• 5.3 异构核间的协同运行
• 5.3.1 异构核间协同框架
• 5.3.2 分离片外存储空间的异构核协同
• 5.3.3 共享片外存储空间的异构核协同
• 5.4 多核协同机制的组成和实现
• 5.4.1 面向多核的流程序设计
• 5.4.2 多核流程序的静态编译
• 5.4.3 硬件动态调度模块：流控制器
• 5.4.4 软硬件结合点：流处理器接口
• 5.4.5 软件运行时调度模块：协处理中间件
• 5.5 小结
• 第六章流式二维拉格朗日和欧拉结合法
• 6.1 Ygx2 概述及映射意义
• 6.2 Ygx2 在MASA 上的映射
• 6.2.1 数据流图
• 6.2.2 主要计算模式及流式实现
• 6.3 程序优化
• 6.4 实验结果分析与性能评测
• 6.4.1 核心程序结果分析及优化
• 6.4.2 应用总体性能分析和比较
• 6.5 讨论
• 6.5.1 分块与流寄存器文件大小对性能影响
• 6.5.2 科学计算的新特征及未来的改进
• 6.6 小结
• 第七章MASA流体系结构性能评测
• 7.1 应用开发环境
• 7.1.1 应用开发环境的组成
• 7.1.2 时钟精确的C++模拟器MSIM
• 7.2 MASA 流体系结构性能评测
• 7.2.1 流处理核性能评测
• 7.2.2 流处理器系统级性能评测
• 7.2.3 多维扩展对应用的影响
• 7.3 小结
• 第八章结束语
• 8.1 本文的主要工作与创新
• 8.2 未来的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A MASA核心指令的域及子域划分
• 附录B 条件流指令功能的伪代码描述