Исследование и разработка методов повышения производительности интегральных схем реконфигурируемых вычислительных систем

Актуальность. Развитие технологий создания микроэлектронных продуктов с одной стороны, и развитие электроники и вычислительной техники — с другой, предопределили появление технологий создания сложных устройств типа «система-на-кристалле» (СнК), объединяющих в одном микрочипе различные функциональные устройства — микропроцессор, специализированные 1Р-блоки, аналоговые и радиочастотные модули, модули памяти, периферийные устройства и т. д. Развитие технологий производства интегральных схем, степень интеграции которых может достигать сотен миллионов вентилей на кристалле, а минимальные топологические размеры — 45−32 нм, потенциально обеспечивает возможность создания СнК новых поколений, обладающих значительно лучшими технико-эксплуатационными характеристиками.

Использование в ядре СнК реконфигурируемых вычислительных систем (РВС), т. е. систем, аппаратура которых может реконфигурироваться, менять свои функции, в зависимости от решаемых вычислительной системой5 задач' позволяет эффективно адаптировать архитектуру под структуру решаемой, задачи и тем самым обеспечить максимальный уровень производительности СнК. Архитектура, интегральных схем (ИС) РВС в общем случае представляет собой однородный массив вычислительных ячеек структуры^- процессорных элементов (ПЭ), каждый из которых может выполнять как минимум одну специфическую функцию из определенного набора возможных функций, в зависимости от конфигурации, в которой он находится. При этом ПЭ массива могут находиться в различных конфигурациях, конфигурации можно изменять в процессе эксплуатации реализованного микрочипа такого массива, обеспечивая тем самым реализацию различных функций и вычислительных алгоритмов.

Такая архитектура в силу своей внутренней регулярности очень технологична и при логическом, и при физическом проектировании, и существующие системы САПР могут эффективно использоваться для проектирования таких устройств. Более того, такая* архитектура может и эффективно использовать современные технологии, поскольку производительность ИС такой архитектуры, в силу ее естественного параллелизма, может увеличиваться практически, пропорционально с ростом числа ПЭ в одном кристалле.

Благодаря своим уникальным свойствам, это направление выходит в настоящее время на передний план развития мировой электроники. Этот процесс обусловлен двумя основными причинами — насыщением вычислительных возможностей, заложенных в традиционной модели компьютерных вычислений, и постоянно развивающимся уровнем технологииполупроводникового производства, — открывающим новые, глобальные перспективы для реализации сложных электронных систем на одном кристалле.

Однако существуют факторы, сдерживающие развитие этого перспективного направления. Основными среди них являются отсутствие многообразия эффективных и прошедших практическую апробацию • интегральных схем, вычислительных архитектур указанного класса, отсутствие автоматизированных средств' проектированиясистемного уровня и систем программирования реконфигурируемых архитектур.

Существующие интегральные схемы (ИС) РВС на фонегибкости и технологичности архитектуры не обеспечивают требуемыхуровней-производительности. Наличие даннойпроблемы является следствием недостаточного количества проведенных исследований в области оптимизации ИС РВС. В свою* очередь, недостаточное количествопроведенных исследований в области построения эффективных ИС РВС определяется низкой эффективностью широко применяемой методики анализаинтегральных схем на основе моделирования предварительно разрабатываемогоЮХ-описания, что является трудоемким и долговременным процессом.

Таким образом, актуальной является задача выявления причин, ограничивающих вычислительные мощности ИС РВС, разработкиэффективной комплексной, методики анализа ИС РВС и проведения исследований и разработки методов повышения производительности ИС РВС с использованием разработанной методики:

Цель работы.

Цель работы заключается в разработке и схемотехнической реализации методов увеличения производительности ИС РВС.

Для достижения цели работы было необходимо решить следующие задачи:

• Провести анализ факторов, ограничивающих вычислительную мощность ИС РВС и исследование существующих подходов и решений в области повышения производительности ИС вычислительных систем данного класса.

• Разработать модель ИС РВС и комплексную методику анализа на системном, функциональном и схемотехническом уровнях.

• Определить и сформулировать требований к процессорному элементу (ПЭ) ИС РВС, выполнение которых обеспечит наилучший показатель производительности ИС вычислительных систем данного класса.

• Оптимизировать операционные блоки ПЭ в соответствии с разработанными требованиями и разработать структурную схему ПЭ на основе данных блоков.

• Разработать и реализовать метод схемотехнической оптимизации вычислений на ИС РВС, основанный на введении поддержки альтернативных вычислений в ПЭ ИС РВС.

• Исследовать зависимость времени простоя ИС РВС от количества активных задач и алгоритма их размещения на аппаратуре ИС РВС для различных типов топологии межпроцессорных связей и разработать аппаратные средства обмена данными между процессорными элементами ИС РВС, обеспечивающие снижение времени простоя ИС РВС, связанного с транзитом данных через ПЭ.

• Разработать эффективные средства обеспечения динамической частичной реконфигурируемости ИС РВС.

• Разработать прототип ИС РВС на основе предлагаемых методов повышения производительности и провести экспериментальную апробация результатов исследований.

Научная новизна работы.

1. Установлены основные причины, ограничивающие производительность ИС РВС: ограниченная функциональность процессорных элементов (ПЭ), не позволяющая покрыть широкий спектр типовых алгоритмов высокопараллельной потоковой обработки данных, низкая эффективность использования аппаратных ресурсов ИС РВС в случае реализации на ней вычислительных алгоритмов с ветвлениями, простой ИС РВС, обусловленный транзитом данных через неактивные ПЭ к активному ПЭ, длительное время переконфигурирования ИС РВС, невозможность динамической реконфигурации части матрицы процессорных элементов ИС РВС, совмещенной с вычислениями.

2. Предложена методика комплексной оценки эффективности схемотехнической реализации функциональных элементов ИС РВС, основанная на сравнительном анализе показателя удельной производительности (производительности на единицу площади) ИС РВС, построенных на базе данных элементов.

3. Проведен анализ зависимости эффективности ИС РВС от параметрических характеристик ПЭ, определены и сформулированы требования к ПЭ ИС РВС, выполнение которых обеспечивает максимальную производительность ИС РВС относительно обработки заданного диапазона прикладных задач потоковой обработки данных.

4. Выявлены механизмы влияния типов функциональных операторов и вычислительных структур прикладных задач, выполняемых на ПЭ на производительность ИС РВС, и предложен способ ее повышения, основанный на обеспечении аппаратной поддержки альтернативных вычислений в процессорном элементе системы.

5. Предложен способ обеспечения динамической коммутации ПЭ ИС РВС на уровне глобального коммутационного ресурса, основанный на интеграции в коммутационную систему глобальных вертикальных и горизонтальных шин и системы реконфигурируемых повторителей, и обоснование возможности его практической реализации.

Практическая значимость работы.

1. Разработанный комплекс схемотехнических решений, позволяющих увеличить производительность ИС РВС, применен в системе на кристалле «РРХ4096», разработанной в ООО ИДМ, что в совокупности обеспечило увеличение производительности реконфигурируемого ядра, входящего в состав СнК «РРХ4096», более чем в 4 раза для прикладных задач цифровой обработки сигналов.

2. Разработанная библиотека конфигурационных настроек ПЭ ИС РВС для наборов прикладных задач, обеспечивающая повторное использование программно-аппаратных блоков интеллектуальной собственности, внедрена в ООО ИДМ, что позволило оптимизировать, используемую на предприятии методологию совместного проектирования и верифицирования СБИС класса «система-на-кристалле» на базе реконфигурируемых вычислительных систем и программных средств-для реализации прикладных алгоритмов на основе данных систем.

3. Разработанная методикакомплексной оценки эффективности функциональных блоков ИС РВС использована при разработке и модернизации лекционных курсов и лабораторных практикумов, входящих в учебные планы ФЭКТ МИЭТ.

На защиту выносятся положения'.

1. Структурно-функциональная модель >ИС РВС, обеспечивающая возможность комплексного анализа ИС РВС, и, построенная на базе данной модели, методика оценки эффективности функциональных элементов ИС РВС.

2'. Структурная' схема ПЭ с расширенным функциональным спектром, обеспечивающая одновременную обработку как простых арифметических и логических, так и комплексных мультипликативных функциональных операторов.

3. Схемотехническая4 реализация альтернативных вычислений на ПЭ ИС РВС, представляющая обеспечение возможности условного выбора того или иного функционального оператора на ПЭ ИС РВС, и определяющая повышение её удельной производительности.

4. Оптимизированная топология межсоединений ПЭ ИС РВС, основанная на интеграции в двумерную решетку взаимосвязанных иерархических двумерных тор-соединений, обеспечивающих гибкость коммутационной системы на уровне регулярных ближних взаимосвязей ПЭ, а также глобальных горизонтальных и вертикальных шин, обеспечивающих эффективность обмена данными между ПЭ на глобальном уровне, и определяющая снижение времени простоя, обусловленного транзитом данных в активные ПЭ ИС РВС.

5. Принцип организации процесса загрузки конфигурационных данных, основанный на обеспечении индивидуального доступа к конфигурационному регистру ПЭ ИС РВС в режиме вычислений, обеспечивающий динамическую частичную реконфигурируемость ИС РВС.

Личный вклад. Все основные научные результаты, приведенные в диссертации и сформулированные в положениях, выносимых на защиту, получены соискателем лично.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях:

Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника — 2006», МГИЭТ 2006; Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника — 2007», МГИЭТ 2007; 52-ая научная конференция «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» МФТИ 2009; Всероссийская молодежная выставка-конкурс прикладных исследований, изобретений и инноваций, Саратов 2009; Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и Информатика 2009», МГИЭТ 2009; Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и.

Информатика 2010″, МГИЭТ 2010; Международная научно-техническая конференция с элементами научной школы для молодежи «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы», МГИЭТ 2010.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК, 7 тезисов докладов, 1 научно-технический отчет по НИР, 1 научно-технический отчет по НИОКР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 88 наименований. Общий объём диссертации составляет 207 страниц, в том числе 7 таблиц и 76 рисунков.

6.6 Выводы.

• Разработана архитектура ИС РВС, включающая аппаратную реализацию предложенных методов повышения производительности ИС РВС.

• Разработан прототип ИС РВС с использованием ПЛИС Xilinx, предназначенный для верификации ИС РВС и схем-макросов прикладных алгоритмов, реализованных на ИС РВС.

• Разработан экспериментальный стенд обеспечивающий процесс создания и отладки программных средств для реализации прикладных алгоритмов, отладки и верификация аппаратуры ИС РВС и в дальнейшем — обеспечения разработки и верификации схем-макросов прикладных вычислительных алгоритмов для формирования библиотеки алгоритмов ИС РВС.

• Разработана методика комплексной верификации ИС РВС и схем-макросов прикладных алгоритмов, реализованных на ИС РВС. Разработка и анализ ИС РВС на системном уровне обеспечивает основу для реализации аппаратной модели, а процесс синтеза и последующей загрузки конфигурационных настроек ПЭ вычислительной матрицы в аппаратуру, обеспечивает быструю верификацию и простое наращивание базы данных библиотек алгоритмов для их последующей аппаратной реализации как отдельно, так и в составе сложных прикладных задач.

• Разработанная на основе предлагаемых аппаратных методов обеспечения высоких уровней производительности, архитектура ИС РВС верифицирована на аппаратном уровне. Реализован набор прикладных задач. Апробация результатов в составе экспериментального стенда подтвердила реализуемость и эффективность предлагаемых методов повышения производительности ИС РВС.

• Проведена оценка технических характеристик разрабатываемой ИС РВС для различных уровней технологии и различных размеров кристалла. Реализованный комплекс схемотехнических методов повышения эффективности ИС РВС позволил повысить производительность более чем в 6 раз относительно базовой исходной архитектуры. Оцененная пиковая производительность ИС РВС л площадью 400 мм с количеством ПЭ, равным 10 520, функционирующей на частоте 300 МГц составляет 197, 4 GOPS (Giga operations per second, миллиардов операций в секунду). Потребляемая мощность ИС 22,1 Вт.

Заключение

.

1). Проведенный в работе анализ позволил выявить основные причины насыщения производительности ИС РВС, среди которых наиболее важными являются: ограниченная функциональность процессорных элементов, не позволяющая покрыть широкий спектр типовых алгоритмов высокопараллельной обработки данныхнизкая эффективность использования аппаратных ресурсов ИС РВС в случае реализации на ней вычислительных алгоритмов с ветвлениемпростой ИС РВС, связанный с увеличением значения времени задержки, обусловленного транзитом данных к активному ПЭдлительное время переконфигурирования ИС РВСневозможность динамической реконфигурации части матрицы ПЭ ИС РВС, совмещенной с вычислениями.

2). Разработана и верифицирована функциональная модель ИС РВС обеспечивающая возможность комплексного анализа на различных уровнях абстракции (на уровне простейших функциональных блоков, на уровне ПЭ, на системном уровне), а также обеспечивающая возможность оценки производительности ИС РВС для различных конфигураций функциональных элементов ИС РВС.

3). Предложена методика комплексной оценки эффективности функциональных элементов ИС РВС, основанная на сравнительном анализе показателя удельной производительности (производительности на единицу площади) ИС РВС, построенных на базе данных элементов.

4). На базе предложенной функциональной модели разработана структурная схема ПЭ ИС РВС, обеспечивающая поддержку обработки установленного набора функциональных операторов, а также параллельную одновременную обработку двух операций, как простых арифметико-логических функциональных операторов, так и мультипликативных, что повышает производительность ИС РВС.

5). Разработан способ схемотехнической оптимизации вычислений на ИС РВС, основанный на введении поддержки альтернативных вычислений в ПЭ ИС.

РВС и обеспечивающий эффективную поддержку на ИС РВС обработки алгоритмов с ветвлениями.

6). Разработана и оптимизирована топология системы межсоединений ПЭ ИС РВС как на уровне регулярных ближних связей (на базе связанных двумерных тор-соединений размерностью 8*8), так и на уровне глобальных связей в рамках взаимодействия схем-макросов (система глобальных вертикальных и горизонтальных шин). Данное решение ИС РВС обеспечивает уменьшение значения времени простоя ИС РВС, возникающее, с одной стороны, в процессе пересылки данных между активными ПЭ в рамках статической конфигурации одной схемы-макроса, а с другой, — в процессе пересылки данных между активными ПЭ разных схем-макросов в рамках динамической конфигурации произвольно размещаемых на аппаратуре ИС РВС прикладных задач.

7). Предложен новый принцип организации процесса загрузки конфигурационных данных, основанный на обеспечении индивидуального доступа к конфигурационному регистру ПЭ ИС РВС в режиме вычислений, обеспечивающий динамическую частичную реконфигурируемость ИС РВС.

8). Предложен принцип обеспечения динамической коммутации ПЭ на уровне глобальных связей, основанный на выделении в отдельный режим процесса загрузки конфигурации коммутационных настроек ПЭ, интеграции в ПЭ реконфигурируемых повторителей, управление которыми обеспечивает динамическую сегментацию глобальных шин, что определяет эффективность и гибкость коммутационной системы и, как следствие, повышение производительности ИС РВС.

9). Разработан прототип ИС РВС с использованием ПЛИС ХШпх, предназначенный для верификации ИС РВС и реализованных схем-макросов прикладных алгоритмов.

10). Разработана методика комплексной верификации ИС РВС и реализованных схем-макросов прикладных алгоритмов. Разработка и анализ ИС РВС на системном уровне обеспечивает основу для реализации аппаратной модели, а процесс синтеза и последующей загрузки конфигурационных настроек ПЭ вычислительной матрицы в аппаратуру, обеспечивает быструю верификацию и.

197 простое наращивание базы данных библиотек алгоритмов для их последующей аппаратной реализации как отдельно, так и в составе сложных прикладных задач.

11). Результаты исследований апробированы в составе экспериментального стенда, включающего прототип ИС РВС в ПЛИС. Апробация результатов исследований в составе экспериментального стенда подтвердила реализуемость и эффективность предлагаемых методов повышения производительности ИС РВС.

12). Проведена оценка технических характеристик разрабатываемой ИС РВС для различных уровней технологии и различных размеров кристалла. В процессе масштабирования не требуется перепроектирование ИС РВС, их производительность растет с увеличением числа ПЭ в системе. Оцененная пиковая производительность ИС РВС площадью 400 мм² с количеством ПЭ, равным 10 520, функционирующей на частоте 300 МГц составляет 197, 4 GOPS (Giga operations per second, миллиардов операций в секунду). Потребляемая мощность ИС 22,1 Вт.

Таким образом, в результате выполнения работы решена задача повышения производительности интегральных схем реконфигурируемых вычислительных систем класса однородных вычислительных сред. Реализованный комплекс схемотехнических методов повышения гибкости ИС РВС относительно дифференцируемого диапазона приложений, повышения эффективности ИС РВС относительно обработки прикладных алгоритмов, в которых широко используется вычислительная структура с ветвлением по условию — структура типа «выбор» и «повторение», повышения эффективности коммутационной системы ИС РВС, обеспечения эффективных механизмов динамической реконфигурации аппаратуры ИС РВС, позволил повысить производительность системы более чем в 6 раз относительно базовой исходной архитектуры.