Введение к работе
Актуальность работы. Широкое распространение информационных технологий в различных областях человеческой деятельности привело к большому разнообразию вычислительных платформ. Способы реализации вычислительных систем варьируются от специализированных аппаратных вычислительных устройств, ориентированных на узкий круг задач (например, свертка и дискретное косинусное преобразование), до архитектур на основе процессоров общего назначения, которые могут быть адаптированы к широкому диапазону приложений. Решением, обеспечивающим баланс между производительностью и гибкостью конечной системы, является использование реконфигурируемых вычислительных систем, в которых для решения задачи имеется возможность изменять вычислитель, в том числе во время работы.
Существенный вклад в теорию реконфигурируемых вычислительных систем внесли Каляев А. В., Эстрин Г., Юзвиак Л., Дихон А. и многие другие видные ученые и специалисты.
Реконфигурируемые вычислительные системы создаются с начала 60-х годов прошлого столетия, однако недостаточное развитие технологической базы вычислительных систем до недавнего времени сдерживало их распространение на фоне архитектур с программируемыми процессорами общего назначения. В настоящее время ситуация изменилась в связи с развитием электронной базы и технологий проектирования вычислительных систем, таких как HW/SW Codesign, ASIP, ASAM. Множество реконфигурируемых вычислительных систем с инструментальными цепочками программирования было создано для отдельных узких областей применения, таких как помехоустойчивое кодирование Рида-Соломона, конвейеризация циклов в мультимедиа приложениях, выполнение матричных преобразований и т.д. Однако по-прежнему существует потребность в САПР для создания специализированных вычислителей на базе реконфигурируемых архитектур. Это и определило направление диссертационной работы.
Объектом исследования являются проблемно-ориентированные реконфигурируемые аппаратные ускорители и инструментальные средства их проектирования.
Предметом исследования являются методы проектирования проблемно-ориентированных реконфигурируемых аппаратных ускорителей.
Целью диссертационной работы является создание платформы автоматизированного проектирования проблемно-ориентированных аппаратных ускорителей на основе реконфигурируемых архитектур с комплексными операционными элементами.
Задачи исследования. В рамках диссертационного исследования были решены следующие задачи:
-
Анализ архитектур реконфигурируемых вычислительных систем и методов их программирования. Выбор структуры САПР и базовых методов для проектирования и программирования проблемно-ориентированных реконфигурируемых аппаратных ускорителей.
-
Исследование и разработка микроархитектуры операционных элементов и коммуникационной среды проблемно-ориентированных реконфигурируемых аппаратных ускорителей.
-
Разработка методов параметризации микроархитектуры и алгоритмов отображения прикладной задачи для проектируемой платформы автоматизированного проектирования на основе проблемно-ориентированных реконфигурируемых аппаратных ускорителей.
-
Исследование и разработка методов автоматизированного программирования проблемно-ориентированных реконфигурируемых аппаратных ускорителей.
-
Создание прототипа САПР проблемно-ориентированных реконфигурируемых аппаратных ускорителей для оценки эффективности предлагаемых научно-технических решений на примере задач цифровой обработки сигналов и мультимедийных данных.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
-
Выполнена классификация существующих реконфигурируемых вычислительных систем на основе разработанной системы критериев. Представленная классификация отличается от существующих анализом структурных, функциональных и конфигурационных аспектов реконфигурируемых вычислительных систем.
-
Для построения САПР предложен принцип автоматизированного проектирования проблемно-ориентированных реконфигурируемых аппаратных ускорителей на основе параметризации шаблона микроархитектуры и набора алгоритмов отображения прикладной задачи.
-
При построении САПР в качестве платформы выбрана архитектура, включающая в себя разработанный шаблон проблемно-ориентированного реконфигурируемого аппаратного ускорителя с сервисным процессором и инструментальную систему отображения целевых приложений.
-
Разработан маршрут проектирования проблемно-ориентированных реконфигурируемых аппаратных ускорителей на базе выбранной платформы автоматизированного проектирования.
-
Разработан многофункциональный комплексный операционный элемент, осуществляющий выполнение приближенных арифметических операций над целыми числами или над числами с плавающей запятой в логарифмической области.
-
Представлены критерии адаптивного выделения вычислительно емких ядер из графа потока данных прикладного приложения для использования
в САПР, учитывающие выбранные параметры шаблона
реконфигурируемого аппаратного ускорителя.
7) Разработан алгоритм отображения графа потока данных исходной
программы на вычислительные ресурсы параметризируемого шаблона
проблемно-ориентированного реконфигурируемого аппаратного
ускорителя, основанный на решении задачи целочисленного линейного программирования, а также предложен альтернативный эвристический метод отображения, позволяющий учесть ограничение на общее время работы САПР.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что в результате проведенного исследования были разработаны:
-
Схемные реализации многофункционального операционного элемента для проблемно-ориентированных крупногранулярных реконфигурируемых аппаратных ускорителей.
-
Имитационная модель параметризируемого шаблона крупногранулярного реконфигурируемого аппаратного ускорителя для цифровой обработки сигналов и мультимедийных данных.
-
Прототип транслятора исходной программы цифровой обработки сигналов и мультимедийных данных на параметризируемый шаблон реконфигурируемого аппаратного ускорителя.
-
Прототип САПР на основе разработанного шаблона крупногранулярного реконфигурируемого аппаратного ускорителя для цифровой обработки сигналов и мультимедийных данных.
Разработанный прототип платформы проектирования позволяет автоматизировать процесс параметризации шаблона крупногранулярного реконфигурируемого аппаратного ускорителя с сервисным процессором общего назначения и компиляции программы под такую гетерогенную структуру. В платформе обеспечена возможность адаптивного задания условий отображения целевых приложений на параметризованный шаблон крупногранулярного реконфигурируемого аппаратного ускорителя и прозрачного выполнения вычислений как на крупногранулярном реконфигурируемом аппаратном ускорителе, так и на сервисном процессоре общего назначения.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы системного анализа, математического и натурного моделирования, целочисленного линейного программирования, теории графов, статистического анализа и экспертных оценок.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Принцип построения САПР проблемно-ориентированных
реконфигурируемых аппаратных ускорителей.
-
Шаблон архитектуры проблемно-ориентированного реконфигурируемого аппаратного ускорителя.
-
Схемная реализация многофункционального комплексного операционного элемента, обеспечивающего выполнение приближенных вычислений.
-
Критерии адаптивного выделения вычислительно емких ядер из графа потока данных прикладной программы.
-
Алгоритм отображения графа потока данных исходной программы на вычислительные ресурсы параметризируемого шаблона проблемно-ориентированного реконфигурируемого аппаратного ускорителя (ОЦЛП).
-
Эвристический метод автоматизированного отображения графа потока данных исходной программы на вычислительные ресурсы параметризируемого шаблона проблемно-ориентированного реконфигурируемого аппаратного ускорителя (ОРВ).
Степень достоверности. Достоверность результатов обусловлена корректностью используемого математического аппарата, подтверждена имитационным моделированием, экспертизами работы при получении грантов, а также результатами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
I научно-практической конференции молодых ученых «Вычислительные системы и сети (Майоровские чтения)» (Санкт-Петербург, 2010 г.).
XL научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2011 г.).
VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011 г.).
XLI научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012 г.).
I Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012 г.).
IV научно-практической конференции молодых ученых «Вычислительные системы и сети (Майоровские чтения)» (Санкт-Петербург, 2012 г.).
Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития' 2012» (Одесса, 2012 г.).
XLII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013 г.).
Кроме того, был получен международный патент: «WO/2013/081484: UNIFIED COMPUTATION SYSTEMS AND METHODS FOR ITERATIVE MULTIPLICATION AND DIVISION».
Внедрение результатов работы. Основные результаты работы были внедрены в проведенных в НИУ ИТМО НИР № 07.514.11.4073 и НИР № 1-СТ-ITMO-0212, в научно-производственной фирме ООО «ЛМТ» и в учебном процессе на кафедре вычислительной техники НИУ ИТМО. Исследования поддержаны грантами Правительства Санкт-Петербурга в 2012 г. (№ ПСП-12316) и 2013 г. (№ ПСП-13382). Акты о внедрении прилагаются.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 10-ти научных публикациях общим объемом 46 страниц, в том числе в 2-х статьях в изданиях, включенных в Перечень ВАК, и 1 патенте.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 86 наименований. Основная часть работы изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 42 рисунка, 5 таблиц и 2 приложения.
