在雷達、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,越來越多的場合對低功耗小型化的異構(gòu)、可重構(gòu)計算平臺提出了迫切需求。本文針對上述應(yīng)用設(shè)計了一種結(jié)合了中心控制節(jié)點、數(shù)據(jù)交換節(jié)點和多GPU的異構(gòu)可重構(gòu)計算體系結(jié)構(gòu),并設(shè)計了遵循該體系結(jié)構(gòu)的軟硬件平臺。通過采用先進的RC-MPSOC器件作為中心控制節(jié)點,使得該體系結(jié)構(gòu)支持硬件可重構(gòu),并且通過采用同時支持星形和環(huán)形連接的互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,使得該體系結(jié)構(gòu)支持異構(gòu)運算節(jié)點間的靈活、高速互連。該體系結(jié)構(gòu)及原型平臺具有小型化、低功耗的特點,并且可以提供靈活、高效的算法實現(xiàn)能力。在硬件設(shè)計上,采用XILINX先進的Zynq SOC作為中心控制節(jié)點,除了軟件的在線自適應(yīng)重構(gòu),還可以通過ARM處理器對可編程邏輯做出硬件可重構(gòu);采用XILINX的Kintex-7系列FPGA作為運算節(jié)點互連網(wǎng)絡(luò)的交換(Switch)節(jié)點,以實現(xiàn)GPU之間的環(huán)形高速連接,以及GPU和中心控制節(jié)點間的星形高速連接,使其能夠支持靈活的算法結(jié)構(gòu);采用NVIDIA的TX1模塊作為運算節(jié)點,提供靈活、高效的算法實現(xiàn)能力�；谒O(shè)計硬件平臺,在軟件上利用Zynq SOC提供的內(nèi)部接口設(shè)計了可重構(gòu)功能模塊,通過實現(xiàn)PCIe和SRIO間的高速數(shù)據(jù)交換設(shè)計了交換節(jié)點邏輯,進而構(gòu)建了運算節(jié)點互連網(wǎng)絡(luò),通過設(shè)計存儲管理功能模塊實現(xiàn)靈活的存儲分配,并且對這些模塊做了功能測試和性能評估,為所實現(xiàn)的異構(gòu)可重構(gòu)計算平臺的工程應(yīng)用提供了完整的接口驅(qū)動和基本的功能模塊。最后,針對SAR回波模擬同心圓算法的大數(shù)據(jù)量、大運算量和算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點,通過將斜距計算分配到4個GPU,然后在中心控制節(jié)點的PL完成卷積運算,該異構(gòu)可重構(gòu)計算平臺與傳統(tǒng)的異構(gòu)計算平臺相比,計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)計算平臺還可以通過多板堆疊使用進一步提高運算能力,具備良好的可擴展性,具有一定的應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：中國計量大學(xué)
【學(xué)位級別】：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，主要承擔數(shù)據(jù)的緩存功能，支持PCIe總線協(xié)議，并不需要承擔計算任務(wù)，所以 Switch 選型時無需考慮 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 系列中售價最便宜的 XC7K70T 作為 Switch 的器件。 數(shù)據(jù)存儲器選型對于高速的數(shù)據(jù)交換，需要使用具有高讀寫速率特點的易失性存儲器，對于 FPGA 的動態(tài)或動態(tài)可重構(gòu)特性，需要非易失性存儲器來存儲比特文件，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，對于易失性存儲器，選擇使用兩組 DDR3，總?cè)萘繛?1G，對于非易失性存儲器選用 Nor Flash，XILINX 公司對Zynq 的 Nor Flash 控制器有著完整的驅(qū)動，不需要再額外編寫設(shè)計驅(qū)動。3.1.2 總體設(shè)計方案

和 1 片 Nor Flash，硬件平臺的實物如圖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 硬件平臺邏輯框圖圖 3.4 硬件平臺實物圖由圖 3.4 可以看出，由于采用 6U 標準板卡，該平臺體積小巧并可以多板擴展。該硬件平臺背板使用 VPX 接口，背板 VPX 接口 P0 口提供的 12V 供電電

中國計量大學(xué)碩士學(xué)位論文 功率評估如圖 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，以及輔助的時鐘、光口、HDMI、USB等外設(shè)接口電源。GPU 模塊、時鐘芯片、外設(shè)接口等根據(jù)查詢器件數(shù)據(jù)手冊進行評估。XILINX公司芯片功耗采用該公司的提供的 XPE 工具進行評估，參數(shù)預(yù)設(shè)如所示。Zynq-7000 評估采用邏輯資源使用量為 70%，1 組 DDR3，4xPCIe，評估工具如圖 3.6 所示。

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本文編號：2817060