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基本信息
- 項目名稱：
- 基于FPGA可重構(gòu)計算技術(shù)的科學(xué)計算平臺
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品實現(xiàn) FPGA-PC運算任務(wù)的協(xié)同工作 ，用戶使用圖形化語言編程 ，硬件系統(tǒng)對于用戶透明， 硬件生成和加速工作由軟件調(diào)度自動完成，整個系統(tǒng)構(gòu)成一個科學(xué)計算平臺。
- 詳細(xì)介紹：
- 目前科研方面對于硬件運算能力的需求已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)處理器的能力所及。一種解決方法是通過硬件加速。FPGA 方案在價格、性能、易用性以及功耗方面具有優(yōu)勢，主要用于非常高端的高性能計算(HPC)方面。但是FGPA是純硬件，靈活性相對較差，而且編程復(fù)雜。本課題針對FPGA硬件加速系統(tǒng)應(yīng)用建立困難的問題，研究了數(shù)學(xué)算法轉(zhuǎn)換為硬件邏輯描述的問題和FPGA與計算機(jī)科學(xué)計算系統(tǒng)混合運算的問題，采用FPGA可重構(gòu)數(shù)字電路硬件加速的方法在Scilab中實現(xiàn)軟硬件聯(lián)合科學(xué)計算，研究并實現(xiàn)了使用圖形化方法把數(shù)學(xué)算法轉(zhuǎn)換到硬件邏輯的方法和軟件，最終實現(xiàn)PC與FPGA相結(jié)合的科學(xué)計算原型系統(tǒng)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本系統(tǒng)目標(biāo)是： 實現(xiàn) FPGA-PC運算任務(wù)的協(xié)同工作 ，與科學(xué)計算軟件結(jié)合，用戶使用圖形化語言編程 ，硬件系統(tǒng)對于用戶透明， 硬件生成和加速工作由軟件調(diào)度自動完成，整個系統(tǒng)構(gòu)成一個科學(xué)計算平臺。 創(chuàng)新點： 1 研究了把數(shù)學(xué)算法采用圖形化方法轉(zhuǎn)換為硬件邏輯的方法，并且開發(fā)出了對應(yīng)的軟件工具； 2 設(shè)計實現(xiàn)了在開源的科學(xué)計算軟件Scilab環(huán)境下 FPGA與Scilab科學(xué)計算任務(wù)進(jìn)行協(xié)同運算的硬件系統(tǒng)； 3 第1點和第2點綜合，整個系統(tǒng)構(gòu)建了FPGA-PC協(xié)同運算的通用可重構(gòu)計算系統(tǒng)原型 技術(shù)關(guān)鍵： 1 數(shù)學(xué)算法轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路硬件邏輯的理論方法和軟件； 2 開發(fā)與PC進(jìn)行接口的FPGA硬件模塊； 3 在科學(xué)計算軟件環(huán)境下實現(xiàn)PC與FPGA系統(tǒng)協(xié)同運算(目前采用開源的科學(xué)計算系統(tǒng)Scilab)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本課題研究和探索了 1 數(shù)學(xué)算法轉(zhuǎn)換成為硬件邏輯的方法； 2 研究了與科學(xué)計算軟件協(xié)同工作的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 3 在以上工作基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基本的原型系統(tǒng)，并且進(jìn)行了簡單測試，證明了系統(tǒng)的有效性。 在基于FPGA可重構(gòu)計算系統(tǒng)領(lǐng)域，類似的產(chǎn)品國際上主要有美國的星橋公司和歐洲的高性能計算聯(lián)盟有系統(tǒng)產(chǎn)品出售。國內(nèi)的研究尚處于起步階段?；陂_源的科學(xué)計算軟件和可重構(gòu)計算技術(shù)的計算系統(tǒng)只有我們的小組在做。 本原型系統(tǒng)的建立對于當(dāng)前的可重構(gòu)計算、高速信號處理、FPGA應(yīng)用設(shè)計乃至IC 設(shè)計都有著重要意義 ，其關(guān)鍵的問題在于給用戶提供數(shù)學(xué)算法向硬件邏輯轉(zhuǎn)換的軟件及聯(lián)機(jī)工作的FPGA硬件系統(tǒng)，以此來幫助用戶更加快速的建立應(yīng)用。 基于FPGA的可重構(gòu)高性能計算將有可能大大降低對于超級計算機(jī)的需求，大量的科學(xué)計算問題將有可能提供FPGA的硬件邏輯得以實現(xiàn)?；贔PGA的可重構(gòu)高性能計算系統(tǒng)的硬件成本相比高性能超級計算機(jī)來說較低，更加有利于普及和推廣。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 原型系統(tǒng)
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 軟硬件實物展示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 1.有利于探索和建立數(shù)學(xué)算法向硬件邏輯轉(zhuǎn)換的理論方法，提供了一種由數(shù)學(xué)算法向硬件邏輯轉(zhuǎn)換的高級語言設(shè)計工具，降低了使用難度，加快了可重構(gòu)計算電路設(shè)計速度 2.能夠利用FPGA可以提供大量的并行資源的優(yōu)勢，大大提高了運算執(zhí)行速度?？茖W(xué)計算問題將有可能由硬件成本和功耗比超級計算機(jī)較低FPGA的硬件邏輯實現(xiàn) 3.基于開源的Scilab軟件設(shè)計的系統(tǒng)軟件，有利于促進(jìn)國內(nèi)FPGA可重構(gòu)計算和EDA技術(shù)的發(fā)展。 適用范圍：FPGA可重構(gòu)計算技術(shù)的研究，利用并行計算解決大規(guī)?？茖W(xué)計算問題以及視頻圖像壓縮等運算量較大的問題。 市場分析：對于解決高性能計算問題有先天優(yōu)勢的FPGA可重構(gòu)系統(tǒng)有可能成為未來高性能計算領(lǐng)域的趨勢，在某些領(lǐng)域FPGA加速已經(jīng)展示出了巨大的潛力，因此我們可以預(yù)測，未來FPGA高性能計算將有廣闊的市場，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 在基于FPGA的可重構(gòu)計算領(lǐng)域國際上主要有SGI，XtremeData，Nallatech，美國星橋公司和蘇格蘭愛丁堡大學(xué)FPGA高性能計算聯(lián)盟研究類似產(chǎn)品。例如SGI公司的采用Xilinx Virtex 4 LX220 FPGA組成 RASCTM RC100刀片；XtremeData公司采用了多片Altera? Stratix? III FPGA 的XD2000i In-Socket加速器；Nallatech支持Xilinx Virtex-II，Virtex-II Pro和Virtex-4 FPGAs的高性能FPGA并行運算系統(tǒng)；美國星橋公司采用Xilinx公司FPGA芯片的售價為350000美元HC-62；以及蘇格蘭愛丁堡大學(xué)FPGA高性能計算聯(lián)盟采用了Xilinx的FPGA的Maxwell。他們的硬件產(chǎn)品較為成熟，但價格昂貴，大量設(shè)計工作依靠手工方法完成，并要求用戶掌握算法、并行計算、硬件描述語言和電路設(shè)計等大量相關(guān)知識及豐富的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計難度很大，設(shè)計周期較長。而我們設(shè)計的作品雖然在規(guī)模和穩(wěn)定性方面和他們的產(chǎn)品有很大差距，但我們探索了一條利用圖形化方法將數(shù)學(xué)算法向硬件邏輯轉(zhuǎn)換的方法，使得更多的人能夠加入到可重構(gòu)計算研究領(lǐng)域，從而促進(jìn)可重構(gòu)計算技術(shù)的發(fā)展。另外鑒于這項主要用于國防和通信等領(lǐng)域的技術(shù)，更應(yīng)該大力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可重構(gòu)計算技術(shù)。 在國內(nèi)主要有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的周學(xué)海，羅賽，沈英哲等在可重構(gòu)計算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件劃分算法和離線布局算法等領(lǐng)域研究；復(fù)旦大學(xué)的彭澄廉，陳偉男,李萬才等在數(shù)據(jù)加密等應(yīng)用領(lǐng)域研究；以及中國科學(xué)院科院計算機(jī)研究所的吳冬冬，張佩珩等在可重構(gòu)計算系統(tǒng)設(shè)計和硬件加速以太網(wǎng)卡方面研究；但尚無能夠利用圖形化的方法方便的將數(shù)學(xué)算法轉(zhuǎn)化為硬件邏輯的，利于推動FPGA可重構(gòu)計算應(yīng)用的通用可重構(gòu)運算平臺，本作品研究了基于FPGA的通用計算平臺，設(shè)計了系統(tǒng)綜合，編譯，仿真軟件和PC機(jī)和FPGA接口技術(shù)，本系統(tǒng)的特點是工業(yè)級的系統(tǒng)軟件，這樣的通用計算平臺有利于推動國內(nèi)EDA技術(shù)的發(fā)展。另外基于開源的科學(xué)計算軟件和可重構(gòu)計算技術(shù)的計算系統(tǒng)只有我們的小組在做（）。
