领域专用可重构计算结构研究

发布时间：2020-05-08 00:00

【摘要】：随着半导体技术的飞速发展和日趋复杂的应用需求,可重构计算已成为微电子、电子工程和计算机科学等学科中热门的研究课题。作为一种时空域上的计算模式,它既能在设计实现时利用可重构器件定制专用的计算部件,又能够对计算资源进行复用以实现多个不同的计算任务。通过对特定应用领域的相关算法进行分析和优化,可设计出更加灵活高效的可重构计算结构。本文从适合可重构计算的专用领域入手,对相关内容进行了有益的探索和尝试,主要做了如下工作：首先,本文对包括数字信号处理、图像视频多媒体、通信和加解密在内的领域专用应用算法进行了分析,提取出相应的基本运算集合。在这些基本运算集合中,常数乘法是一种应用广泛的运算,在乘法运算中的比例超过20%。并且在输出数越多以及配置数小于6时,基于加减法器移位器和多路选择器的常数乘法器与通用乘法器相比,在面积上具有优势。其次,已有的常数乘算法在解决多标准多输出应用问题时要付出不菲的面积代价,本文提出一种优化的可重配置多输出常数乘算法。该算法分别运用局部优化和全局优化两种策略,寻找并利用多常数乘法器之间的拓扑相似度以进行融合,实现了对加法器空间和时间上的共用。通过实现一个统一框架下的常数乘法器自动生成软件工具,可方便地得到各类常数乘法器的硬件结构。此外,本文利用可重配置多输出常数乘算法设计实现了适用于视频编解码的可重构多变换结构。该多变换结构可应用于4种主流标准的实时1080P高清视频编解码处理,实现不同标准下的静态重构以及正反变换的动态重构。该结构采用130nm工艺实现,综合后面积为23060门,最高运行频率可达到100MHz。最后,本文提出一种新型粗粒度可重构计算单元结构。该计算单元由可重配置加减法器、可重配置移位器、多路选择器和取补码单元组成,可实现基于加法和乘法的各类领域专用常用运算。这是一种应用驱动的、非指令执行、数据级并行且高度可扩展的可重构计算结构。该结构采用130nm工艺实现,综合后面积为2964门,最高运行频率可达到55MHz。
【图文】：

方向图,曲线,密度图,算法图

图1.2Fixed一尸泊s一Variable结构计算机目前兴起的可重构计算技术，其基本思想是受可编程逻辑器件编程能力的启发并在此基础上发展起来的。美国加州大学伯克利分校的AndreDehon于1999年DAC会议上提出一类计算组织结构「71。相比于其他组织结构，该类结构具有两个突出的特点:(l)相比基于ASIC的硬件实现方式，可在生产加工之后由用户定制，来完成任意功能;(2)相比基于处理器的软件实现方式，可实现算法到结构的空间映射。凡是具备这两个特点的实现方式都属于可重构计算范畴。可重构计算改变了传统的软件和硬件的界限，用可编程器件为更强的计算能力和密度提供了可能性，同时也对传统CAD技术提出了更高的要求。著名的Makimoto曲线【8]揭示了半导体行业发展的内在规律，，如图1.3所示。该曲线在1991年由TsugioMakimot。首次提出，并在2002年FPT会议上进行了拓展。其基本思想是半导体产品以二十年为一个循环周期，按照标准通用(StandardiZatinn)和定制专用(Customization)两个方向每隔十年交替发展，并

曲线,定制化,现场可编程技术,数字消费

第1章引言处于的第三个循环(1997一2017)，正由标准通用阶段跨入定制专用阶段，该循环的主流产品是现场可编程器件和正在发展中的可编程片上系统，其特点是以结构性编程为特征，即通过可重构逻辑器件来实现算法。Makimoto曲线指出:现场可编程技术将在数字消费类市场扮演重要的角色，即生产标准化和应用定制化，而日趋严重的功耗问题则会加速领域专用定制化的进程。Stand日心份ation
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP338;TN402

【参考文献】