一种自主设计的面向E级高性能计算的异构融合加速器 - 刘胜, 卢凯, 郭阳, 刘仲, 陈海燕, 雷元武, 孙海燕, 杨乾明, 陈小文, 陈胜刚, 刘必慰, 鲁建壮.pdf
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计 算 机 研 究 与 发 展
DOI
:
１０．７５４４∕issn１０００Ｇ１２３９．２０２１．２０２１０１８９
JournalofCom
p
uterResearchandDevelo
p
ment ５８
(
６
):
１２３４ １２３７
,
２０２１
收稿日期
:
２０２１
－
０３
－
０９
;
修回日期
:
２０２１
－
０４
－
２０
基金项目
:
国家重点研发计划项目
(
２０１８YFB０２０４３０１
课题
１
)
Thisworkwassu
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ResearchandDevelo
p
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ramofChina
(
２０１８YFB０２０４３０１subＧ
p
ro
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)
．
一种自主设计的面向
E
级高性能计算的异构融合加速器
刘
胜
卢
凯
郭
阳
刘
仲
陈 海 燕
雷 元 武
孙 海 燕
杨 乾 明
陈 小 文
陈 胜 刚
刘 必 慰
鲁 建 壮
(
国防科技大学计算机学院
长沙
４１００７３
)
(
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g
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)
ASelfＧDesi
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g
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LiuShen
g
,
LuKai
,
GuoYan
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,
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LeiYuanwu
,
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,
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,
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４１００７３
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Abstract Hi
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(
HPC
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GPDSP
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HPC
);
accelerator
;
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;
selfＧ
desi
g
ned
;
hi
g
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y
摘
要
高性能计算
(
hi
g
h
p
erformancecom
p
utin
g
,
HPC
)
是推 动 科 学 技 术 发 展 的 基 础 性 领 域 之 一
,
当
前
,
作为超级计算机系统
“
下一个明 珠
”
的
E
级高 性 能计 算 时代 已 经来 临
．
面 向
E
级 高 性 能 计 算 的 加 速
器领域成为了全球高端芯片的竞技场
．
国际上
,
AMD
、
英伟达和英特尔公司已经占据这一领域多年
．
作为
国内最早开始自主处理器设计的优势单位之一
,
国防科技大学一直以来都是 高性能 加速器 领域强 有力
的竞争者
．
主要对国防科技大学自主设计的面向
E
级高性能计算的加速器芯片进行介绍
,
该芯片采用了
CPU＋GPDSP
的异构融合架构
,
具备高 性 能
、
高效 能 和高 可 编程 性 的 特 点
,
有 望 成 为 新 一 代
E
级 超 算
系统的核心计算芯片
．
关键词
高性能计算
;
加速器
;
异构融合体系结构
;
自主设计
;
高效能
中图法 分类号
TP３３
;
TN４７
高 性 能 计 算
(
hi
g
h
p
erformancecom
p
utin
g
,
HPC
)
是 推 动 科 学 技 术 发 展 的 基 础 性 领 域 之 一
,
被
称为超级计 算 机 的
“
下 一 个 明 珠
”
的
E
级 高 性 能计
算时代已经悄然 来 临
．
面向
E
级高 性 能计 算 的加 速
器领域逐渐发 展 成 为 全 球 最 高 端 芯 片 的 竞 技 场
．
由
AMD
公 司 于
２０２０
年
１１
月 推 出 的
INSTINCT
TM
MI１００
加 速 器 的 双 精 度 峰 值 计 算 能 力 已 经 突 破
１０TFLOPS
量 级
,
达 到
１１．５TFLOPS
,
典 型 功 耗 为
３００W
[
１
]
．
由英伟达公司于
２０２０
年
５
月推出的
A１００
GPU
[
２
]
,
其可编程部分 的双精 度浮点 峰值 计算 能 力
为
９．７TFLOPS
,
张量核
(
tensorcore
)
部分的 双精度
浮点峰值计算能 力 高达
１９．５TFLOPS
,
典 型 功 耗 为
４００W．
根据报导
,
英特尔公司也将于
２０２１
年末甚至
更早推 出 代 号 为
Ponte Vecchio
的
X
e
HPC
系 列
GPU
,
预计性能也将高达数十
TFLOPS
[
３
]
．
作为国内最早开始自主处理器设计的优势单位
之一
,
国防科技大学 一直 以 来都 是 高性 能 加速 器 领
域强有力的竞 争 者
．
本 文 主 要 对 国 防 科 技 大 学 自 主
设计的一款面 向
E
级 高 性 能 计算 的加 速器 进行 介
绍
．
该芯片采用了
CPU＋GPDSP
的异 构 融合 架 构
,
兼顾高性能
、
高效能和高可编程性的特点
,
双精度浮
点峰值性能可达
１０TFLOPS
以上
,
典型应用情况下
效能在
５０GFLOPS∕W
左 右
,
有 望 成 为新 一代
E
级
超算系统的核心计算芯片
．
Fi
g
．１ Architectureofthechi
p
图
１
芯片体系结构
１
体系结构
该芯片采用了异构融合架构
,
如图
１
所示
．
由多
核
CPU
和
４
个
GPDSP
_
Cluster
五 部 分 组 成
．
多 核
CPU
包含
３２
个
FTＧC６６２CPU
内核
(
兼容
ARM
指令
集
),
每个
GPDSP
_
Cluster
包 含
２４
个 自 定 义指 令集
的
FTＧM６４DSP
核
．
作为芯片的主控部分
,
多核
CPU
可以访问和 调 用 所 有 的资 源
,
４
个
GPDSP
_
Cluster
相互独立
．
该芯 片 将 主 控 部 分 和 运 算 部 分 的 互 连 在
片内解决
,
从而为两者间的通信提供高数据带宽
．
GPDSP
_
Cluster
从标
、
向量并行的
６４b
单核结
构
、
可扩展多核结构等方面实施了全方位
、
多层次并
行优化
,
充分开发应 用 的指 令 级
、
数据 级
、
任务 级 并
行
,
并针对应用进行了指令集级别的定制
,
提高了典
型应用的峰值运算能力和效能
．
每个
GPDSP
_
Cluster
包含
６
个
DSP
节点
(
每个
DSP
节点 包 含
４
个
DSP
核
)
．GPDSP
_
Cluster
内 包 含 一 个 全 局 共 享 存 储 器
,
提供了片上高 带 宽的 数 据传 输
．
还 包 含 一 个
HBM２
转接桥和控制器
,
以支持片外高带宽数据传输
．
采用
了具备高带宽
、
支持优先权仲裁和
QoS
等多个特点
的多级
CrossBar
(
CrossNet
)
片上 网 络结 构
,
保证 了
数据带宽的稳定发挥
．
１．１ GPDSP
内核结构
DSP
内核基于自 主 知 识 产 权 的 指 令 集 设 计
．
如
图
２
所示
,
采用了超长指令字
(
ver
y
lon
g
instruction
word
,
VLIW
)
技术和 标 向量 协 同融 合 的结 构
．
向量
部件由
１６
个同构的
VPE
阵列组成
,
每个
VPE
内部
包含
３
个乘加单元
．
指控单元
(
L１P∕Fetch∕Dis
p
atch
)
同时向 标 量 单 元
(
scalarunit
)
和 向 量 单 元
(
vector
unit
)
派发指 令
,
１６
个
VPE
采用
SIMD
的方 式 同时
执行相同的向 量 指 令
．
标 量 部 件 和 向 量 部 件 各 自 有
对应本地的局部存储器
:
标量存储器和阵列存储器
．
DSP
内核拥有 一个 的
DMA
,
支 持 灵 活高 效的 数据
传输 方 式
(
如 点 对 点
、
广 播
、
分 段
、
Su
p
erGather
等
)
以充分适应不同的应用需求
．
Fi
g
．２ StructureofDSPCore
图
２ DSP
内核结构图
１．２
存储层次
为了简化存储管理硬件逻辑设计
,
多核
CPU
内
部支持硬件
Cache
一致性
(
包含
１６MB
的
L２Cache
),
GPDSP
_
Cluster
支持 软 件管 理 的垂 直 存 储 一 致 性
．
面向高性能计算以及
AI
等应用需求
,
提出了一种多
层次 协 同 共 享 存 储 结 构
,
将 加 速 器
GPDSP
核 内 的
私有存储
(
近
８０MB
,
峰 值 带 宽
９８TB∕s
)、
全 局 共 享
存储
(
共
２４MB
,
峰 值 带 宽
１．２TB∕s
)、
HBM
存 储
(
４
个
HBM２
,
峰值带宽
１．２TB∕s
,
容 量
３２GB
)
三 级
存储架构
,
通过高速
DMA
和片上网络连接
,
提供了
高带宽的数据传输和核间数据交互能力
．
５３２１
刘
胜等
:
一种自主设计的面向
E
级高性能计算的异构融合加速器
of 4
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