ISSN
1000
0054
CN
11
2223/N
清华大学学报(自然科学版)
2013
年第
53
卷第
2
期
J
Tsinghua
Univ
(Sci &
Tech),
2013,
Vol.
53,
No.
2
17/25
234
~
241
基于应用驱动的异构体系结构模型
沈来信
I
• 2 '
杨帆
2
,王伟
l
(
1.
同济大学嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室,上海
200092;
2.
黄山学院信息工程学院,黄山
245041)
摘
要:科学计算应用问题在计算模型、处理过程以及对处
理器、存储器和通信的要求方面存在巨大的差异。同一种结
构难以适应差异巨大的应用,造成效率低下。解决途径在于
可变的体系结构,让体系结构去适应不同的应用,而不是让
应用去适应单一的体系结构。不同的应用决定了不同的应
用程序结构,对于不同的应用程序结构,采用最适合的体系
结构去匹配,实现应用决定体系结构的模型。结果表明,基
于应用驱动的异构体系结构异构模型能够达到使运算高效
率、低能耗的目的。最后给出了从不同应用得到最适应体系
结构的方法。
关键词:异构体系结构;匹配;应用驱动;效率
中图分类号:
TP
302
文献标志码:
A
文章编号:
1000
0054
(
2013)
02-0234-08
Heterogeneous
architecture
model
based
on
application
drive
SHEN Laixin1·2,
YANG
Fan2,
WANG
Wei1
( 1. Key
Laboratory
of
Embedded System and Service Computing
of
Ministry
of
Education,
Tongji University, Shanghai
200092,
China;
2. School
of
Information
& Engineering, Huangshan University,
Huangshan
245041,
China)
Abstract:
Scientific
computing
application
problems
greatly
differ in
computing
models,
processing and
the
requirements
of
processors,
memories
and communications.
The
same
structure
is difficult
to
adapt
to
vastly
different
application
problems,
which
results
in low
efficiency.
The
solution
depends on
the
variable
architecture,
while
making
the
architecture
adapt
to different
applications,
ratl1er
than
making
the
different
applications
adapt
to
the
same
architecture
Different application
problems
determine
different application
structures.
The
most
suitable
system
architecture
was
used to
match
a specific application
structure
to
implement
the
model in which
the
application
determines
the
architecture
The
results
show
that
the
heterogeneous
blended
architecture
model based on application drive
has high
computing
efficiency and low power
consumption
The
method
is given
to
obtain
most
suitable
architectures
from different
applications in
this
paper
Key words:
heterogeneous
architecture;
match;
application
drive,
efficiency
高性能计算机的应用领域多种多样,涉及大气
科学、流体力学、分子动力学、生物信息等诸多学科
以及线性代数、快速傅里叶变换、搜索排序、图算法、
卷积等不同的计算模型。不同的应用对计算、存储、
通信等能力的要求也不一样,单一体系结构已经不
能满足复杂多样的应用需求。
高性能计算机的性能提高依赖于
CPU
数量的
增加和频率的提升,由此导致系统能耗越来越高,已
成为制约超级计算机发展的瓶颈问题[
I
J
。目前,位
列世界
500
名榜单前
10
名的高性能计算(
high
per-
formance
computi
吨,
HPC
)系统功耗均在数
MW,
其每
MW
功率消耗针对特定目标任务的计算能力
仍有很大的局限性,功耗墙和有效功率不高已经成
为
HPC
发展的瓶颈。
由于受各种条件的限制,现有主流的体系结构
相对固定,主要是大规模并行处理(
massively
para!-
lei
processing,
MPP
)架构或机群(
clusters
)架构。
虽然异构系统逐渐成为潮流,但主要是把具有加速
功能的计算组件作为加速器来使用,结构相对固定。
目前主流的加速组件包括可编程处理器
FPGA
、图
形处理器
GPU
、高速运算处理器
CELL
、数字信号
处理器
DSP
、协处理器
ClearSpeed
等类型,不同的
专用处理器在性能特征以及擅长的应用领域等方面
各具特色,通用处理器与专用处理器的协同工作是
异构系统的关键。体系结构的创新体现在最合适的
计算模型的设计与实现、最合理的处理组件的使用
与构建、最适合的体系结构设计与匹配,从而达到系
统的高性能和低能耗;
2]
0
收稿日期:
2012-08-01
基金项目.国家“八六三”高技术项目(
2007
AA01Z425);
国家自然科学基金资助项目(
90718015,60673157);
安徽省优秀青年人才基金项目
CZOlZSQRl,183)
作者简介.沈来信(
1979
←),男(汉),安徽,讲师。
通信作者.杨帆,讲师,
E
mail:
yanfan@hsu.
edu. cn
ISSN
1000
0054
CN
11
2223/N
清华大学学报(自然科学版)
2013
年第
53
卷第
2
期
J
Tsinghua
Univ
(Sci &
Tech),
2013,
Vol.
53,
No.
2
17/25
234
~
241
基于应用驱动的异构体系结构模型
沈来信
I
• 2 '
杨帆
2
,王伟
l
(
1.
同济大学嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室,上海
200092;
2.
黄山学院信息工程学院,黄山
245041)
摘
要:科学计算应用问题在计算模型、处理过程以及对处
理器、存储器和通信的要求方面存在巨大的差异。同一种结
构难以适应差异巨大的应用,造成效率低下。解决途径在于
可变的体系结构,让体系结构去适应不同的应用,而不是让
应用去适应单一的体系结构。不同的应用决定了不同的应
用程序结构,对于不同的应用程序结构,采用最适合的体系
结构去匹配,实现应用决定体系结构的模型。结果表明,基
于应用驱动的异构体系结构异构模型能够达到使运算高效
率、低能耗的目的。最后给出了从不同应用得到最适应体系
结构的方法。
关键词:异构体系结构;匹配;应用驱动;效率
中图分类号:
TP
302
文献标志码:
A
文章编号:
1000
0054
(
2013)
02-0234-08
Heterogeneous
architecture
model
based
on
application
drive
SHEN Laixin1·2,
YANG
Fan2,
WANG
Wei1
( 1. Key
Laboratory
of
Embedded System and Service Computing
of
Ministry
of
Education,
Tongji University, Shanghai
200092,
China;
2. School
of
Information
& Engineering, Huangshan University,
Huangshan
245041,
China)
Abstract:
Scientific
computing
application
problems
greatly
differ in
computing
models,
processing and
the
requirements
of
processors,
memories
and communications.
The
same
structure
is difficult
to
adapt
to
vastly
different
application
problems,
which
results
in low
efficiency.
The
solution
depends on
the
variable
architecture,
while
making
the
architecture
adapt
to different
applications,
ratl1er
than
making
the
different
applications
adapt
to
the
same
architecture
Different application
problems
determine
different application
structures.
The
most
suitable
system
architecture
was
used to
match
a specific application
structure
to
implement
the
model in which
the
application
determines
the
architecture
The
results
show
that
the
heterogeneous
blended
architecture
model based on application drive
has high
computing
efficiency and low power
consumption
The
method
is given
to
obtain
most
suitable
architectures
from different
applications in
this
paper
Key words:
heterogeneous
architecture;
match;
application
drive,
efficiency
高性能计算机的应用领域多种多样,涉及大气
科学、流体力学、分子动力学、生物信息等诸多学科
以及线性代数、快速傅里叶变换、搜索排序、图算法、
卷积等不同的计算模型。不同的应用对计算、存储、
通信等能力的要求也不一样,单一体系结构已经不
能满足复杂多样的应用需求。
高性能计算机的性能提高依赖于
CPU
数量的
增加和频率的提升,由此导致系统能耗越来越高,已
成为制约超级计算机发展的瓶颈问题[
I
J
。目前,位
列世界
500
名榜单前
10
名的高性能计算(
high
per-
formance
computi
吨,
HPC
)系统功耗均在数
MW,
其每
MW
功率消耗针对特定目标任务的计算能力
仍有很大的局限性,功耗墙和有效功率不高已经成
为
HPC
发展的瓶颈。
由于受各种条件的限制,现有主流的体系结构
相对固定,主要是大规模并行处理(
massively
para!-
lei
processing,
MPP
)架构或机群(
clusters
)架构。
虽然异构系统逐渐成为潮流,但主要是把具有加速
功能的计算组件作为加速器来使用,结构相对固定。
目前主流的加速组件包括可编程处理器
FPGA
、图
形处理器
GPU
、高速运算处理器
CELL
、数字信号
处理器
DSP
、协处理器
ClearSpeed
等类型,不同的
专用处理器在性能特征以及擅长的应用领域等方面
各具特色,通用处理器与专用处理器的协同工作是
异构系统的关键。体系结构的创新体现在最合适的
计算模型的设计与实现、最合理的处理组件的使用
与构建、最适合的体系结构设计与匹配,从而达到系
统的高性能和低能耗;
2]
0
收稿日期:
2012-08-01
基金项目.国家“八六三”高技术项目(
2007
AA01Z425);
国家自然科学基金资助项目(
90718015,60673157);
安徽省优秀青年人才基金项目
CZOlZSQRl,183)
作者简介.沈来信(
1979
←),男(汉),安徽,讲师。
通信作者.杨帆,讲师,
E
mail:
yanfan@hsu.
edu. cn