本文關(guān)鍵詞：天文數(shù)據(jù)處理中硬件加速機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：數(shù)據(jù)處理在現(xiàn)代天文學(xué)研究中有著重要的地位。天文研究中的數(shù)據(jù)處理涵蓋了天文觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、觀測(cè)數(shù)據(jù)后處理、天文數(shù)值模擬等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。其中,天文數(shù)值模擬作為一個(gè)計(jì)算密集型應(yīng)用,其模擬精度與數(shù)據(jù)處理能力有著直接的關(guān)系,因此較早就引入了硬件加速機(jī)制,目前已經(jīng)成為了硬件加速機(jī)制的一個(gè)重要應(yīng)用方向。近年來,隨著觀測(cè)儀器性能的提升,天文觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)生成數(shù)據(jù)的規(guī)模也急劇膨脹,這對(duì)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性提出了很高的要求,亟需將面向存儲(chǔ)密集型應(yīng)用的硬件加速機(jī)制引入觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)以提高其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)帶寬。此外,由于天文觀測(cè)對(duì)觀測(cè)儀器的周邊環(huán)境具有較高的要求,天文觀測(cè)站點(diǎn)越來越多的被設(shè)置在外界環(huán)境比較惡劣、遠(yuǎn)離人類活動(dòng)的區(qū)域,無人值守的自動(dòng)天文觀測(cè)點(diǎn)也逐漸成為趨勢(shì),而這對(duì)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理提出了很高的要求。觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)既要提供足夠的數(shù)據(jù)處理能力以保障觀測(cè)數(shù)據(jù)能安全、高效地傳輸?shù)胶蠓綌?shù)據(jù)中心,又要盡量降低自身功耗以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求,以降低設(shè)備部署、運(yùn)營(yíng)中所需要的成本。在這種情況下,具有低功耗、高集成度、高性能等優(yōu)勢(shì)的定制化硬件加速平臺(tái)能為天文觀測(cè)提供較好的保障。本文針對(duì)天文數(shù)據(jù)處理中硬件加速機(jī)制的關(guān)鍵技術(shù),結(jié)合FPGA加速、固態(tài)硬盤(SSD)、FPGA-SoC等新器件、新架構(gòu)方案以及特定應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn),對(duì)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)處理及天文數(shù)值模擬中的加速技術(shù)做了有益的探索,擴(kuò)展了硬件加速機(jī)制在天文數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用方向。針對(duì)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高帶寬需求,本文研究了以FPGA為主控芯片的天文現(xiàn)場(chǎng)SSD定制化設(shè)計(jì)方法；同時(shí),為了保證大數(shù)據(jù)規(guī)模下觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理的速度和數(shù)據(jù)安全性,并充分利用定制SSD中的FPGA資源,本文提出了天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)壓縮方法以及低輪AES-糾錯(cuò)碼聯(lián)合加密方法；此外,本文針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)值模擬平臺(tái)搭建、維護(hù)較復(fù)雜,功耗浪費(fèi)嚴(yán)重等問題,提出并驗(yàn)證了基于FPGA-SoC的天文數(shù)值模擬加速平臺(tái)。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：(1)分析了天文觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和存儲(chǔ)需求,并以此為基礎(chǔ)提出了基于FPGA的天文現(xiàn)場(chǎng)SSD定制化設(shè)計(jì)方法。SSD的高帶寬優(yōu)勢(shì)可以較好的滿足目前天文觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求；但是,目前的商用SSD讀快寫慢的特點(diǎn)以及單位存儲(chǔ)空間價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)限制了其在觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。因此,本文基于天文觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)中數(shù)據(jù)寫入操作模式單一的特點(diǎn),簡(jiǎn)化了通用SSD中較為復(fù)雜的垃圾回收、冷熱塊替換等操作,大幅度降低了用戶不可用的數(shù)據(jù)塊數(shù)量,節(jié)約了FPGA的邏輯資源,降低了單位存儲(chǔ)空間的價(jià)格；同時(shí),針對(duì)天文觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)寫入速度要求高,對(duì)數(shù)據(jù)讀出速度要求低的特點(diǎn),優(yōu)化了SSD中Nand Flash通道的設(shè)計(jì),提高了Nand Flash之間的寫入并行度,提高了FPGA資源的使用效率。(2)在觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理方面,分別針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)壓縮和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)加密的加速做了相應(yīng)的研究。一方面,利用天文現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)具有較大信息冗余的特性,對(duì)適合用于天文現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)壓縮的編碼方法進(jìn)行了深入研究。充分分析了天文數(shù)據(jù)的特點(diǎn),確定了采用哈夫曼編碼以及游程編碼分別對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的高低字節(jié)編碼可較好的作用于天文數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)壓縮。同時(shí),結(jié)合定制化SSD的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文還提出了一種分布式的壓縮電路實(shí)現(xiàn)方案,用以將壓縮電路集成到定制化SSD的主控FPGA中。該電路方案避免了傳統(tǒng)壓縮電路方案中多次訪存所帶來的額外內(nèi)存讀取開銷,以不到2500個(gè)查找表(LUT)滿足了高速SSD的帶寬需求,并達(dá)到了與Gzip算法相近的壓縮率。另一方面,針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)加密需求,利用SSD中Nand Flash的誤碼特性,提出了一種低輪AES-糾錯(cuò)碼聯(lián)合加密方法。通過對(duì)糾錯(cuò)碼編碼單元生成的冗余編碼執(zhí)行簡(jiǎn)單的異或加密操作,Nand Flash中的誤碼可以被利用起來,提高AES加密后密文數(shù)據(jù)的安全性。相應(yīng)的,在保持標(biāo)準(zhǔn)AES加密安全性的前提下,可適當(dāng)?shù)慕档虯ES的加密輪數(shù)以減少加密電路消耗的計(jì)算資源。通過對(duì)多種攻擊方法的分析表明,在AES加密輪數(shù)不低于8輪時(shí),該加密方法的數(shù)據(jù)安全性可以保持在與標(biāo)準(zhǔn)的10輪AES加密相當(dāng)?shù)乃健?3)在天文數(shù)值模擬加速方面,以修正牛頓力學(xué)(MOND)的數(shù)值模擬為例,研究了天文數(shù)值模擬中不同加速器件的加速效果,設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了基于FPGA-SoC的天文數(shù)值模擬加速平臺(tái)。相比于傳統(tǒng)天文數(shù)值模擬平臺(tái),利用FPGA-SoC的加速平臺(tái)具有更高的集成度、更低的功耗浪費(fèi)、更好的可維護(hù)性。與常用于天文數(shù)值模擬加速的GPU加速平臺(tái)相比,基于FPGA-SoC的方案在功耗、能耗比、性價(jià)比上面有具有明顯優(yōu)勢(shì)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P113

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