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現(xiàn)場的數(shù)據(jù)存儲與處理、觀測數(shù)據(jù)后處理、天文數(shù)值模擬等多個應(yīng)用場景。其中,天文數(shù)值模擬作為一個計算密集型應(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)制的一個重要應(yīng)用方向。近年來,隨著觀測儀器性能的提升,天文觀測現(xiàn)場生成數(shù)據(jù)的規(guī)模也急劇膨脹,這對觀測現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲的實時性提出了很高的要求,亟需將面向存儲密集型應(yīng)用的硬件加速機(jī)制引入觀測現(xiàn)場以提高其數(shù)據(jù)存儲帶寬。此外,由于天文觀測對觀測儀器的周邊環(huán)境具有較高的要求,天文觀測站點越來越多的被設(shè)置在外界環(huán)境比較惡劣、遠(yuǎn)離人類活動的區(qū)域,無人值守的自動天文觀測點也逐漸成為趨勢,而這對觀測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)實時處理提出了很高的要求。觀測現(xiàn)場既要提供足夠的數(shù)據(jù)處理能力以保障觀測數(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網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求,以降低設(shè)備部署、運(yùn)營中所需要的成本。在這種情況下,具有低功耗、高集成度、高性能等優(yōu)勢的定制化硬件加速平臺能為天文觀測提供較好的保障。本文針對天文數(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)用場景的特點,對觀測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)存儲、觀測現(xiàn)場的數(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。針對觀測現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲的高帶寬需求,本文研究了以FPGA為主控芯片的天文現(xiàn)場SSD定制化設(shè)計方法；同時,為了保證大數(shù)據(jù)規(guī)模下觀測現(xiàn)場數(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數(shù)據(jù)的現(xiàn)場壓縮方法以及低輪AES-糾錯碼聯(lián)合加密方法；此外,本文針對傳統(tǒng)數(shù)值模擬平臺搭建、維護(hù)較復(fù)雜,功耗浪費嚴(yán)重等問題,提出并驗證了基于FPGA-SoC的天文數(shù)值模擬加速平臺。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點包括：(1)分析了天文觀測現(xiàn)場數(shù)據(jù)的特點和存儲需求,并以此為基礎(chǔ)提出了基于FPGA的天文現(xiàn)場SSD定制化設(shè)計方法。SSD的高帶寬優(yōu)勢可以較好的滿足目前天文觀測現(xiàn)場高速數(shù)據(jù)存儲需求；但是,目前的商用SSD讀快寫慢的特點以及單位存儲空間價格昂貴的缺點限制了其在觀測現(xiàn)場的應(yīng)用。因此,本文基于天文觀測現(xiàn)場中數(shù)據(jù)寫入操作模式單一的特點,簡化了通用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,降低了單位存儲空間的價格；同時,針對天文觀測現(xiàn)場對數(shù)據(jù)寫入速度要求高,對數(shù)據(jù)讀出速度要求低的特點,優(yōu)化了SSD中Nand Flash通道的設(shè)計,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)在觀測現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理方面,分別針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)壓縮和現(xiàn)場數(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)場數(shù)據(jù)具有較大信息冗余的特性,對適合用于天文現(xiàn)場數(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,確定了采用哈夫曼編碼以及游程編碼分別對觀測數(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)場實時壓縮。同時,結(jié)合定制化SSD的結(jié)構(gòu)特點,本文還提出了一種分布式的壓縮電路實現(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,針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時加密需求,利用SSD中Nand Flash的誤碼特性,提出了一種低輪AES-糾錯碼聯(lián)合加密方法。通過對糾錯碼編碼單元生成的冗余編碼執(zhí)行簡單的異或加密操作,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算資源。通過對多種攻擊方法的分析表明,在AES加密輪數(shù)不低于8輪時,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)計并驗證了基于FPGA-SoC的天文數(shù)值模擬加速平臺。相比于傳統(tǒng)天文數(shù)值模擬平臺,利用FPGA-SoC的加速平臺具有更高的集成度、更低的功耗浪費、更好的可維護(hù)性。與常用于天文數(shù)值模擬加速的GPU加速平臺相比,基于FPGA-SoC的方案在功耗、能耗比、性價比上面有具有明顯優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P113

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本文編號：1277108