基于高密度計算的多核芯片設計關鍵技術研究.pdf

1、電子系統(tǒng)結構的高度集成化、功能的一體化給系統(tǒng)設計提出了挑戰(zhàn)，體積、重量和功耗的約束使得電子系統(tǒng)小型化設計技術更具有挑戰(zhàn)性。CMP(Chip Multiprocessor，單芯片多核處理器)、SiP(System in Package，系統(tǒng)封裝)、MEMs(Micro-Electro Mechanical System，微電子機械系統(tǒng))和NEMs(Nano-Electro Mechanical System，納電子機械系統(tǒng))，3D(Thr

2、eeDimension，三維)集成等技術成為集成電路設計領域重要的研究方向。
　　人們對于便捷性和低碳性的追求，以前從不計較成本的HPC也開始關注單位空間、單位功耗、甚至單位資金投入所產(chǎn)生的計算速度等指標。使得高密度計算(High Density Computing，HDC)成為繼高性能計算(High Performance Computing，HPC)之后又一個重要的研究方向。
　　從目前發(fā)展情況來看，CMP已經(jīng)成為推動H

3、PC和HDC繼續(xù)進步的核心技術。本文依據(jù)HDC應用需求，研究CMP設計、評估和計算優(yōu)化問題。主要內容包括：
　　(1)首先討論了并行計算、高性能計算、多核計算等相關概念，以多核系統(tǒng)為支撐平臺，提出了高密度計算(HDC)問題，給出了HDC的主要特征和所要研究的主要問題，提出了多核系統(tǒng)的評測問題。以數(shù)值計算中最具代表性的矩陣類任務作為研究對象，討論了矩陣運算的一些基本問題，尤其是矩陣的分塊運算和復雜度分析，分析了并行矩陣類任務的多核計

4、算方法，為多核系統(tǒng)與矩陣類任務結合的問題研究給出了研究思路。
　　(2)在分析單芯片多核處理器結構和當前研究狀況的基礎上，給出了CMP的發(fā)展趨勢和典型結構，即小核大數(shù)量處理器核、陣列和層次型簇結構，闡述了CMP體系結構的主要類型和基本設計原則，對并行計算模型、結構擴展和評估方法進行了理論分析；提出了“三維相鄰碼”概念和兩種“擴展3D Gray碼”的編碼方法，即坐標擴展法和層擴展法，并分析了三維相鄰碼的特點和規(guī)律；提出了真正意義上的

5、三維簇結構的3D NOC架構，即“三維星形簇(3DStar Cluster，簡稱3D SC)結構”。3D SC的NOC架構、節(jié)點編碼和模型描述方法的提出和應用對于3D NOC的定量研究和分析具有重要的理論意義和使用價值。
　　(3)設計了兼容于MIPS指令集的單核RISC處理器，在此基礎上實現(xiàn)了一種基于層次化AHB總線的四核處理器FPGA原型設計。探索了處理器結構的擴展性以及提高處理器整體性能的設計方法，利用多維矩陣相乘驗證了系統(tǒng)

6、性能和計算能力。實驗結果表明，隨著矩陣階數(shù)的增加，多核處理器的加速比隨之升高，印證了“處理器數(shù)的增加與問題規(guī)模的增加要保持平衡”的多核計算理論。
　　(4)隨著核數(shù)量的增加，多核系統(tǒng)的任務調度與映射技術的重要性突顯出來。本文在分析多核系統(tǒng)的并行調度技術和任務映射技術基礎上，給出了層次化任務分解方法，重點討論了矩陣類任務的等時間復雜度的分塊計算，提出了基于嵌入式監(jiān)控子網(wǎng)的動態(tài)任務調度技術。監(jiān)視子網(wǎng)可以提供數(shù)據(jù)流信息，用于數(shù)據(jù)流的智能

7、監(jiān)控和處理，為提高控制過程可視化和自動化提供了可能。
　　(5)在3D NoC設計中，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，路由設計和低功耗設計是兩個關鍵技術。本文在分析NoC及3D互連集成基本問題的基礎上，給出了低功耗研究的基本思路，重點討論了3D NoC的路由和3D NoC的低功耗模型，給出了3D NOC路由分析和低功耗分析方法。
　　(6)在多核平臺上進行復雜信號處理是一個牽涉面很廣的工程問題。本文針對并行計算和多核平臺特點，對合成孔徑

8、雷達(SAR)信號處理的復雜性問題、任務分解方法、算法流程等問題進行了分析。主要分析了SAR回波信號模型和信號模擬算法，分析了回波模擬數(shù)值計算的計算量和存儲量，給出了SAR回波模擬的幾種并行計算和任務分解方法，以及在簇結構多核平臺上進行計算的任務和流程分析。
　　本文的主要創(chuàng)新點及其意義：
　　(1)研究領域創(chuàng)新。提出了高密度計算的概念，將高密度計算與多核計算作為一個重要的研究領域。本文以此為切入點，對多核計算、多核系統(tǒng)評測

9、和多核系統(tǒng)設計幾個重要問題進行了研究。其意義在于，提升了多核系統(tǒng)設計和高速計算研究的針對性。
　　(2)理論創(chuàng)新。提出了真正意義的三維(3D)簇的NOC結構，即三維星型簇(3D SC)結構，針對該結構首次提出了三維相鄰編碼概念和兩種擴展三維格雷(3D Gray)編碼方法。其意義在于，可以將3D NOC的大數(shù)量節(jié)點的幾何互連關系轉換為數(shù)組關系，便于幾何模型的數(shù)值化抽象。
　　(3)方法創(chuàng)新。提出了基于嵌入監(jiān)控子網(wǎng)的動態(tài)任務調度