异构可重构计算体系结构及其实现技术

发布时间：2020-09-11 19:11

　　 在雷达、通信、深度学习、人工智能等领域,算法的复杂程度日益提高,算法的形式千变万化,越来越多的场合对低功耗小型化的异构、可重构计算平台提出了迫切需求。本文针对上述应用设计了一种结合了中心控制节点、数据交换节点和多GPU的异构可重构计算体系结构,并设计了遵循该体系结构的软硬件平台。通过采用先进的RC-MPSOC器件作为中心控制节点,使得该体系结构支持硬件可重构,并且通过采用同时支持星形和环形连接的互连网络设计,使得该体系结构支持异构运算节点间的灵活、高速互连。该体系结构及原型平台具有小型化、低功耗的特点,并且可以提供灵活、高效的算法实现能力。在硬件设计上,采用XILINX先进的Zynq SOC作为中心控制节点,除了软件的在线自适应重构,还可以通过ARM处理器对可编程逻辑做出硬件可重构;采用XILINX的Kintex-7系列FPGA作为运算节点互连网络的交换(Switch)节点,以实现GPU之间的环形高速连接,以及GPU和中心控制节点间的星形高速连接,使其能够支持灵活的算法结构;采用NVIDIA的TX1模块作为运算节点,提供灵活、高效的算法实现能力。基于所设计硬件平台,在软件上利用Zynq SOC提供的内部接口设计了可重构功能模块,通过实现PCIe和SRIO间的高速数据交换设计了交换节点逻辑,进而构建了运算节点互连网络,通过设计存储管理功能模块实现灵活的存储分配,并且对这些模块做了功能测试和性能评估,为所实现的异构可重构计算平台的工程应用提供了完整的接口驱动和基本的功能模块。最后,针对SAR回波模拟同心圆算法的大数据量、大运算量和算法结构复杂等特点,通过将斜距计算分配到4个GPU,然后在中心控制节点的PL完成卷积运算,该异构可重构计算平台与传统的异构计算平台相比,计算性能有了显著提高。本文提供的低功耗小型化的异构可重构计算平台还可以通过多板堆叠使用进一步提高运算能力,具备良好的可扩展性,具有一定的应用前景。
【学位单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP38
【部分图文】：

图 3.2 Kintex-7 系列芯片参数图Switch作为数据交换节点，主要承担数据的缓存功能，支持PCIe总线协议，并不需要承担计算任务，所以 Switch 选型时无需考虑 FPGA 的 DSP 数量，RAM总量大于 4MB 就可以满足高速的数据交换需求。综上，选择 Kintex-7 系列中售价最便宜的 XC7K70T 作为 Switch 的器件。 数据存储器选型对于高速的数据交换，需要使用具有高读写速率特点的易失性存储器，对于 FPGA 的动态或动态可重构特性，需要非易失性存储器来存储比特文件，保证掉电后数据不丢失。Zynq-7000 系列有着丰富的外部设备接口，对于易失性存储器，选择使用两组 DDR3，总容量为 1G，对于非易失性存储器选用 Nor Flash，XILINX 公司对Zynq 的 Nor Flash 控制器有着完整的驱动，不需要再额外编写设计驱动。3.1.2 总体设计方案

和 1 片 Nor Flash，硬件平台的实物如图3.4 所示。前面板TX1-4 TX1-3XC7K70T-4TX1-1 TX1-2XC7K70T-3XC7K70T-2XC7K70T-1Zynq背板DDR3512MDDR3512MFlashEthernet4 Ethernet3PCIe x4PCIe x4PCIe x4PCIe x4SRIOx2SRIOx2SRIOx2 SRIOx2SRIOx2SRIOx2SRIOx2SRIOx232bit32bitFlash FlashFlashFlashPCIex4/SRIOx4/GPIOUARTJTAGEthernet1 Ethernet2Ethernet1Ethernet2Ethernet3Ethernet4HDMI/USB4 HDMI/USB3HDMI/USB1 HDMI/USB2JTAGJTAGJTAGJTAGJTAGQSFP+QSFP+HDMI/USB4HDMI/USB3HDMI/USB2HDMI/USB1图 3.3 硬件平台逻辑框图图 3.4 硬件平台实物图由图 3.4 可以看出，由于采用 6U 标准板卡，该平台体积小巧并可以多板扩展。该硬件平台背板使用 VPX 接口，背板 VPX 接口 P0 口提供的 12V 供电电

中国计量大学硕士学位论文 功率评估如图 3.5 方案所示的电源供电结构，主要由 GPU 模块和 XILINX 公司的 1片 Zynq-7000 芯片和 4 片 XC7K70T 组成，以及辅助的时钟、光口、HDMI、USB等外设接口电源。GPU 模块、时钟芯片、外设接口等根据查询器件数据手册进行评估。XILINX公司芯片功耗采用该公司的提供的 XPE 工具进行评估，参数预设如所示。Zynq-7000 评估采用逻辑资源使用量为 70%，1 组 DDR3，4xPCIe，评估工具如图 3.6 所示。

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