基于超长指令字模板高精度算法加速器体系结构研究

发布时间：2018-10-22 10:48

【摘要】：科学计算已经成为继理论研究和物理实验之后，现代科学研究的第三种手段，其计算结果的精度将直接影响科学研究的成果和成败。随着计算规模不断扩大，科学计算中浮点运算的舍入误差累积加剧，这导致计算结果不精确、不可靠、甚至不正确。高精度算术是保证大规模科学计算精度最直接、有效、可靠的方法，同时它具有提高算法可再现性、增强算法稳定性、加快算法收敛速度等优势。然而，基于CPU或GPU的通用计算平台，内部定制了确定宽度的数据通路和固定精度的运算单元，只能通过软件模拟的方式实现多种高精度浮点算术，这导致计算性能和效率低。近年来，FPGA器件以其可定制、可重构、高性能、低功耗的优势，成为理想的加速计算平台。本文将FPGA可重构技术、超长指令字（VLIW）技术与高精度计算相结合，探索解决基于FPGA的高精度算法加速器设计面临的关键问题，开发高精度应用中不同层次的并行性和最大化FPGA的性能和资源利用率。本文取得的主要研究成果如下： 1、提出一个适应高精度运算的处理器体系结构——定制VLIW模板。VLIW技术是挖掘算法并行性的一种理想方法，具有硬件结构简单、性能高和扩展性好的特点。本文针对高精度运算的特征，在FPGA平台上定制了一个VLIW模板结构，内部集成多个定制高精度基本运算单元，通过VLIW指令的显式并行技术来开发高精度运算中的指令级并行。基于此模板建立可配置的多VLIW核的高精度算法加速器体系结构，开发高精度应用算法中线程级并行。最后，针对VLIW技术中的关键问题——代码膨胀，提出一种适合FPGA平台的多级索引VLIW指令压缩技术，使用标志位和多存储体方式解决传统代码压缩技术中的VLIW指令长度不确定问题，最大限度避免空操作带来指令空间浪费。在基于定制VLIW模板的四精度基本函数处理器和四精度算法加速器设计中，该压缩策略的压缩率分别为37.5%和24.5%。 2、提出基于全展开的精确四精度向量内积算法及实现结构。针对科学计算中最常见的、对数值算法稳定性和结果精度影响较大的基本操作——向量内积，本文提出基于全展开的精确四精度向量内积算法和实现结构（Quad-HPMAC），采用无损失的定点操作获得精确内积结果，采用累加和的两级存储结构、累加和划分及进位保留累加等优化策略来提高Quad-HPMAC单元的频率和吞吐率。最后，基于Quad-HPMAC模块建立统一四精度矩阵运算加速器，实现矩阵乘、LU分解和MGS-QR分解算法。实验结果表明，相对于通用Intel多核平台上并行软件实现，该加速器能够取得5~8位的精度提升和40倍以上的性能提升。 3、提出基于VLIW模板的统一四精度基本函数计算模型及实现结构。针对科学计算中基本函数种类多、实现复杂、使用频率低、计算延时大的特征，本文提出基于VLIW模板的统一四精度基本函数计算模型和实现结构（QP_VELP）。该结构具有性能高和扩展性好的优势，利用Estrin策略提高多项式计算的并行性，通过循环展开、流水线并行和VLIW指令显式并行技术提高性能。与相关工作相比，统一基本函数处理器不仅在资源消耗、延时、精度等方面占优，而且该处理器能够使用统一硬件资源实现多种基本函数的计算，在实际科学和工程应用中取得较高的资源利用率。 4、提出基于VLIW模板的四精度算法加速器结构。本文针对科学计算中不规则类计算密集型算法，，以空间目标轨道预测SGP4/SDP4算法为例，提出基于VLIW模板的四精度算法加速器结构。通过集成QP_VELP模块实现多种使用频率低的基本函数，解决基本操作种类多的问题；通过定制VLIW指令的约束来满足操作之间复杂的数据依赖关系；通过多个四精度操作单元的并行执行来开发算法的指令级并行性；通过多个VLIW核的并行执行来开发算法的线程级并行。同时，本文还提出基于贪婪思想的指令调度算法，结合存储空间分配及冲突检测，实现算法的数据流图到定制VLIW指令槽的映射，最大限度地减少定制VLIW指令中的空操作。实验结果表明，相对于Intel多核处理器，该四精度算法加速器能够取得7.8~15倍的性能提升。 5、针对某些计算精度要求更高的特定科学应用领域，本文将四精度算法加速器中的相关概念、研究及实现方法扩展到任意精度浮点算术系统中。提出基于全展开的任意精度精确向量内积算法及实现结构（VPMAC）和基于VLIW模板的任意精度基本函数处理器（VP_VELP），其中VP_VELP内部集成多个任意精度基本操作单元，通过VLIW指令的显式并行技术和动态改变内部计算精度的方法来提高性能，使用统一硬件资源实现多种任意精度基本操作和任意精度基本函数。最后，通过VPMAC协处理器和统一任意精度矩阵加速器（VPMATA）这两种方式实现任意精度矩阵类算法。实验结果表明：相对于Intel四核处理器上的并行MPFR函数库，集成8个VPMAC模块和1个VP_VELP模块的VPMATA能够获得13~63倍的加速效果。
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【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP332;TN791

【参考文献】