二维阵列型可重构计算设计空间搜索方法研究

论文摘要

可重构计算作为一种新的高性能计算解决方案,它具有较高的性能和灵活性,是通用处理器和ASIC的折衷。由于具有较高的灵活性,可重构计算的设计空间巨大,为某个特定的应用领域设计一个优化的可重构计算体系是一项十分复杂的任务。在可重构计算体系设计初期,搜索可重构计算体系的设计空间,选择一个优化的可重构计算体系是一项十分重要的研究工作。本文研究了二维阵列型可重构计算的设计空间搜索方法。为了使设计空间搜索方法不依赖于任何具体的可重构计算体系,本文定义了描述可重构计算体系的结构特征参数,并提出了可重构计算体系的层次型参数模型。层次型参数模型既能反映可重构计算体系的结构特征,又能反映可重构计算体系的层次性。层次型参数模型具有良好的灵活性,能够描述不同类型的二维阵列型可重构计算体系。由于在高层次对可重构计算体系的结构特征进行数学抽象,层次型参数模型能够提高可重构计算体系的设计空间搜索速度。在可重构计算设计空间搜索过程中,应用领域中的每个算法对可重构计算体系的互连资源提出了不同的需求。论文研究了可重构计算体系的互连资源估计问题。在建立应用算法网表布线随机模型的基础上,提出了基于随机模型的可重构计算体系的互连资源估计方法,从而能够估计应用领域中的各个算法在可重构计算体系上实现时所需要的各种互连资源的数目,确定了可重构计算体系的互连资源。可重构功能处理单元阵列是可重构计算体系的核心部件。论文研究了可重构功能处理单元阵列的设计空间,推导了可重构功能处理单元阵列的面积、性能和功耗的估计公式。通过分析应用算法的变换方法、应用算法在可重构计算体系上的执行模型以及性能估计方法,给出了性能约束的可重构功能处理单元阵列设计空间搜索方法,从而使可重构计算体系的设计空间搜索方法能够跨越静态可重构计算体系和动态可重构计算体系,并能够在满足应用算法性能约束的前提下,为应用领域中的算法搜索一个最优的可重构功能处理单元阵列。存储器结构是可重构计算体系的重要组成部分,其影响应用算法在可重构计算体系上的执行时间。论文讨论了存储器结构的设计空间搜索方法,研究了存储器结构中局部数据存储器容量、配置上下文存储器容量和局部数据存储器与可重构功能处理单元阵列之间的接口带宽,推导了局部数据存储器容量和配置上下文存储器容量的最大值以及局部数据存储器与可重构功能处理单元阵列之间接口带宽的最大值,最后提出了面积约束的存储器结构设计空间搜索方法,在搜索域选择性能最优的存储器结构。

论文目录

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 可重构计算体系

1.2.1.1 功能处理单元的粒度

1.2.1.2 可重构功能处理单元阵列的配置方式

1.2.1.3 可重构功能处理单元阵列结构

1.2.1.4 分布式存储器

1.2.1.5 功能处理单元之间的互连结构

1.2.2 可重构计算体系的设计空间搜索

1.3 研究内容和创新点

1.3.1 研究内容

1.3.2 创新点

第2章可重构计算体系及其设计空间搜索方法

2.1 可重构计算体系

2.1.1 PADDI和PADDI-2架构

2.1.2 RaPiD架构

2.1.3 PipeRench架构

2.1.4 DP-FPGA（Datapath-FPGA）架构

2.1.5 KessArray架构

2.1.6 MATRIX架构

2.1.7 Raw架构

2.1.8 MorphoSys架构

2.1.9 CHESS架构

2.1.10 DReAM架构

2.2 可重构计算体系设计空间搜索方法

2.2.1 Xplore

2.2.2 Bossuet设计空间搜索方法

2.2.3 Simple-Fit

2.2.4 B.Mei方法

第3章可重构计算体系的层次型参数模型

3.1 可重构计算设计空间搜索流程

3.1.1 HCDFG

3.1.2 应用算法分析

3.2 可重构计算体系的层次型参数模型

3.2.1 可重构计算体系层次型参数模型的参数描述

3.2.2 层次型参数模型描述

3.2.2.1 顶层描述结构

3.2.2.2 块描述结构

3.2.2.3 单元描述结构

3.2.2.4 功能描述结构

3.3 应用实例

3.3.1 KressArray架构的层次型参数模型描述

3.3.2 MorphSys架构的层次型参数模型描述

3.4 本章小结

第4章可重构计算体系的互连资源估计

4.1 应用算法编译

4.1.1 动态宏单元库

4.1.2 动态宏单元的生成方法

4.1.3 应用算法编译

4.2 可重构计算体系的互连资源

4.2.1 相邻连接

4.2.2 路游通道

4.2.3 行列近邻连接

4.3 可重构计算体系的互连资源估计

4.3.1 功能处理单元的互连线

4.3.2 应用算法网表布线的随机模型

4.3.3 互连资源数目估计

4.3.4 模型验证及仿真结果

4.4 本章小结

第5章可重构功能处理单元阵列设计空间搜索

5.1 可重构功能处理单元阵列的设计空间

5.1.1 功能处理单元

5.1.1.1 功能处理单元能够实现的功能集合

5.1.1.2 功能处理单元的数据通路宽度

5.1.1.3 可重构功能处理单元阵列的规模

5.2 可重构功能处理单元阵列的面积、功耗和性能估计

5.2.1 可重构功能处理单元阵列的面积估计

5.2.2 可重构功能处理单元阵列的功耗估计

5.2.2.1 CMOS电路的功耗

5.2.2.2 可重构功能处理单元阵列的功耗估计

5.2.3 可重构功能处理单元阵列的性能估计

5.3 可重构功能处理单元阵列设计空间搜索

5.3.1 应用算法变换

5.3.1.1 并行展开

5.3.1.2 任务分割

5.3.2 应用算法在可重构计算体系上的执行模型与执行时间

5.3.3 可重构功能处理单元阵列设计空间搜索方法

5.3.4 验证结果

5.4 本章小结

第6章存储器结构设计空间搜索

6.1 可重构计算体系的存储器结构

6.2 存储器结构的设计空间

6.2.1 局部数据存储器的容量

6.2.2 配置上下文存储器的容量

6.2.3 局部数据存储器与可重构功能处理单元阵列之间的接口带宽

6.3 面积约束的存储器结构设计空间搜索方法

6.3.1 存储器结构的面积

6.3.2 面积约束的存储器结构设计空间搜索方法

6.3.2.1 生成存储器结构的初始结构

6.3.2.2 存储器结构设计空间搜索

6.3.2.3 实例验证

6.4 本章小结

第7章总结和展望

7.1 论文总结

7.2 展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表或录用的论文

致谢

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