在雷達(dá)、通信、深度學(xué)習(xí)、人工智能等領(lǐng)域,算法的復(fù)雜程度日益提高,算法的形式千變?nèi)f化,越來(lái)越多的場(chǎng)合對(duì)低功耗小型化的異構(gòu)、可重構(gòu)計(jì)算平臺(tái)提出了迫切需求。本文針對(duì)上述應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種結(jié)合了中心控制節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)和多GPU的異構(gòu)可重構(gòu)計(jì)算體系結(jié)構(gòu),并設(shè)計(jì)了遵循該體系結(jié)構(gòu)的軟硬件平臺(tái)。通過(guò)采用先進(jìn)的RC-MPSOC器件作為中心控制節(jié)點(diǎn),使得該體系結(jié)構(gòu)支持硬件可重構(gòu),并且通過(guò)采用同時(shí)支持星形和環(huán)形連接的互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),使得該體系結(jié)構(gòu)支持異構(gòu)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)間的靈活、高速互連。該體系結(jié)構(gòu)及原型平臺(tái)具有小型化、低功耗的特點(diǎn),并且可以提供靈活、高效的算法實(shí)現(xiàn)能力。在硬件設(shè)計(jì)上,采用XILINX先進(jìn)的Zynq SOC作為中心控制節(jié)點(diǎn),除了軟件的在線自適應(yīng)重構(gòu),還可以通過(guò)ARM處理器對(duì)可編程邏輯做出硬件可重構(gòu);采用XILINX的Kintex-7系列FPGA作為運(yùn)算節(jié)點(diǎn)互連網(wǎng)絡(luò)的交換(Switch)節(jié)點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)GPU之間的環(huán)形高速連接,以及GPU和中心控制節(jié)點(diǎn)間的星形高速連接,使其能夠支持靈活的算法結(jié)構(gòu);采用NVIDIA的TX1模塊作為運(yùn)算節(jié)點(diǎn),提供靈活、高效的算法實(shí)現(xiàn)能力�；谒O(shè)計(jì)硬件平臺(tái),在軟件上利用Zynq SOC提供的內(nèi)部接口設(shè)計(jì)了可重構(gòu)功能模塊,通過(guò)實(shí)現(xiàn)PCIe和SRIO間的高速數(shù)據(jù)交換設(shè)計(jì)了交換節(jié)點(diǎn)邏輯,進(jìn)而構(gòu)建了運(yùn)算節(jié)點(diǎn)互連網(wǎng)絡(luò),通過(guò)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)管理功能模塊實(shí)現(xiàn)靈活的存儲(chǔ)分配,并且對(duì)這些模塊做了功能測(cè)試和性能評(píng)估,為所實(shí)現(xiàn)的異構(gòu)可重構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的工程應(yīng)用提供了完整的接口驅(qū)動(dòng)和基本的功能模塊。最后,針對(duì)SAR回波模擬同心圓算法的大數(shù)據(jù)量、大運(yùn)算量和算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),通過(guò)將斜距計(jì)算分配到4個(gè)GPU,然后在中心控制節(jié)點(diǎn)的PL完成卷積運(yùn)算,該異構(gòu)可重構(gòu)計(jì)算平臺(tái)與傳統(tǒng)的異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)相比,計(jì)算性能有了顯著提高。本文提供的低功耗小型化的異構(gòu)可重構(gòu)計(jì)算平臺(tái)還可以通過(guò)多板堆疊使用進(jìn)一步提高運(yùn)算能力,具備良好的可擴(kuò)展性,具有一定的應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：中國(guó)計(jì)量大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP38
【部分圖文】：

圖 3.2 Kintex-7 系列芯片參數(shù)圖Switch作為數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)的緩存功能，支持PCIe總線協(xié)議，并不需要承擔(dān)計(jì)算任務(wù)，所以 Switch 選型時(shí)無(wú)需考慮 FPGA 的 DSP 數(shù)量，RAM總量大于 4MB 就可以滿足高速的數(shù)據(jù)交換需求。綜上，選擇 Kintex-7 系列中售價(jià)最便宜的 XC7K70T 作為 Switch 的器件。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選型對(duì)于高速的數(shù)據(jù)交換，需要使用具有高讀寫速率特點(diǎn)的易失性存儲(chǔ)器，對(duì)于 FPGA 的動(dòng)態(tài)或動(dòng)態(tài)可重構(gòu)特性，需要非易失性存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)比特文件，保證掉電后數(shù)據(jù)不丟失。Zynq-7000 系列有著豐富的外部設(shè)備接口，對(duì)于易失性存儲(chǔ)器，選擇使用兩組 DDR3，總?cè)萘繛?1G，對(duì)于非易失性存儲(chǔ)器選用 Nor Flash，XILINX 公司對(duì)Zynq 的 Nor Flash 控制器有著完整的驅(qū)動(dòng)，不需要再額外編寫設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)。3.1.2 總體設(shè)計(jì)方案

和 1 片 Nor Flash，硬件平臺(tái)的實(shí)物如圖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圖 3.3 硬件平臺(tái)邏輯框圖圖 3.4 硬件平臺(tái)實(shí)物圖由圖 3.4 可以看出，由于采用 6U 標(biāo)準(zhǔn)板卡，該平臺(tái)體積小巧并可以多板擴(kuò)展。該硬件平臺(tái)背板使用 VPX 接口，背板 VPX 接口 P0 口提供的 12V 供電電

中國(guó)計(jì)量大學(xué)碩士學(xué)位論文 功率評(píng)估如圖 3.5 方案所示的電源供電結(jié)構(gòu)，主要由 GPU 模塊和 XILINX 公司的 1片 Zynq-7000 芯片和 4 片 XC7K70T 組成，以及輔助的時(shí)鐘、光口、HDMI、USB等外設(shè)接口電源。GPU 模塊、時(shí)鐘芯片、外設(shè)接口等根據(jù)查詢器件數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行評(píng)估。XILINX公司芯片功耗采用該公司的提供的 XPE 工具進(jìn)行評(píng)估，參數(shù)預(yù)設(shè)如所示。Zynq-7000 評(píng)估采用邏輯資源使用量為 70%，1 組 DDR3，4xPCIe，評(píng)估工具如圖 3.6 所示。

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