计算机系统设计的可重构和能效问题

客座编辑导言 • Won Woo Ro, Chen Liu和Jean-Luc Gaudiot •2014年11月

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电脑芯片

动态重构硬件的能力是一个潜力巨大的想法,但实现的困难也很大。可重构性可以采用多种专门方式实现,也可采用现场可编程门阵列(FPGA)和粗粒度可重构阵列(CGRA)实现。这些芯片利用巨量的逻辑门和存储块来提供强计算能力,是传统通用中央处理单元(CPU)和应用特定的集成电路(ASIC)之外的新方案。半导体技术的快速发展,已使得采用可重构逻辑实现更复杂的处理元件成为可能,包括基于FPGA设计系统级芯片(SoC)。事实上,FPGA天生的可重构性对于很多复杂情形仍然有效,例如多功能硬件加速器,或用以应对频繁的设计变更。因而,它们的普及还将持续,尤其下一步我们hs还要迈向3D堆叠集成。

与此同时,功耗问题在现代处理器设计越来越得到重视,在降低芯片总功耗方面已经有很多努力。众所周知的"暗硅(dark silicon)"问题,直指芯片由于泄漏和动态功耗带来的严重能耗问题。因此,预计未来的处理器将受到预定功率的约束,这同样适用于可编程逻辑。因此,虽然单个芯片上可以有很多晶体管,但任何给定时刻可以同时加电的计算元件数量严格受限。这意味着传统的CPU核心、可重构逻辑以及网络级芯片(片上网络,NoC)结构都需要仔细设计以达到额定功耗要求。

主题文章

"今日计算"2014年11月主题关注最近发表的有关可重构架构能耗问题的相关文章。选择这组文章的主要理由是,它们涵盖了计算机体系结构领域与可重构逻辑相关的多个研究项目,因此相当于对这个领域的很好介绍。

第一篇文章是《电源墙的启示:昏暗核心和可重构逻辑》,作者Liang Wang和Kevin Skadron把可重构逻辑的能耗与相近阈值电压条件下的CMP处理器(使用电压和频率缩放来控制能耗)以及ASIC加速器进行了比较。文章展示了可重构逻辑的优势——可以根据应用需要有效地配置成多种形式的加速器。

在《一种适应物理基底变化的可重构体系结构(PAnDA)》中,James Alfred Walker和他的同事提出了一种可重构的体系结构,仅就数字电路重配置而言,它类似于FPGA,又尽可能提供了额外的新功能,如重新配置电路特性的模拟层。设计平台采用PAnDA架构,就可以利用此功能在模拟和数字两个层次进行重构。

Kai Ma, Xiaorui Wang和Yefu Wang的《DPPC:提高芯片多处理器性能的动态功率分配与控制》提出了一种兼顾处理器核和末级缓存的电源管理方法。 功率预算是在包括处理核心以及末级高速缓存的整个芯片层次上动态分配的。通过测量负载特性而在线构建动态模型,从而为功率分配提供依据。

最后一篇文章是Randy W. Morris和他同事的《具有最小可配置的三维堆叠纳米光子片上网络体系结构》,介绍了一种用于纳米光子片上网络(NoC,Network-on-Chip)和3D堆叠的高效可重构算法,它可以根据数据流量动态控制通道带宽。论文还讨论了所提NoC架构的能效问题。

产业透视

三位来自工业界的重量级实践和研究专家非常热心地贡献了他们对本期主题的意见,在此顺致谢忱。

华盛顿州雷德蒙微软研究院嵌入式和可重构计算组的Ken Eguro讨论了节能问题,并讨论了技术尺度是如何接近极限从而迫使设计者为了获得成本可接受的计算能力而必须引入专业化的。他演示了云计算的出现如何加剧了对灵活性的需求。Eguro还设想了可重构计算将会遇到的问题,如异构架构的整合和利用。他过去和现在的一些研究方向包括高性能计算架构、FPGA开发和集成问题以及硬件的安全问题和基于硬件的安全解决方案。(有关Eguro的更多详细信息请访问http://research.microsoft.com/en-us/people/eguro/

 

Shaoshan Liu是百度美国的资深架构师,从事大数据基础架构和物联网方面的工作,他还担任数个投资咨询公司的技术顾问。他之前的工作经历包括LinkedIn、微软Windows Phone、微软研究院、INRIA、英特尔研究院和Broadcom。他在工业界浸淫多年,几乎接触了技术栈的所有层次,包括硬件、固件、操作系统、虚拟机、大数据基础架构以及移动应用。在他的视频中,Liu讨论了FPGA在工业界的应用,特别是这些可重构硬件方案为高度并行的——计算密集且高能耗的——大数据工作负载提供了高效解决方案。他还把FPGA用作异构计算节点的模块之一。(有关Liu的详细信息请访问https://www.linkedin.com/in/shaoshanliu

 

Sunil Shukla是IBM TJ Watson研究中心的一名研究人员。他的研究主要集中在可重构加速器架构,如FPGA和CGRA以及它们的编程模型。他的视频解释了我们过去如何受益于Dennard尺度和摩尔定律,而今我们正在接近尺度极限。Shukla分析了在节能成为首要考虑因素的未来,异构的加速器密集的计算将会扮演怎样的角色,并通过展示可重构加速器在服务器市场应用的证据做了总结。(有关Shukla更详细的信息请访问http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view.php?person=us-skshukla

 

这四篇主题文章给出了本领域目前的一些重要研究方向。如果你想进一步深入了解可重构计算的相关研究,IEEE计算机协会的杂志和期刊还就此话题出版过数次专辑。例如,?的2014年1-2月号就聚焦于可重构计算。功率感知的可重构体系结构是一个令人兴奋的研究领域,将深刻影响新一代处理器和计算元件的设计。你是否同意将来的多核心架构将是富含加速器的异构架构?我们邀请您从这个月的主题文章出发,挖掘可能的宝藏。

引用

W.W. Ro, C. Liu, and J.-L. Gaudiot, "Reconfigurability and Power Issues in Computer Systems Design," Computing Now, vol. 7, no. 11, November 2014, IEEE Computer Society [online]; http://www.computer.org/web/computingnow/archive/november2014.

 

Won Woo Ro韩国首尔延世大学电气与电子工程学院的副教授。他从南加州大学获得博士学位。他的研究兴趣包括微处理器架构、GPU架构和并行计算。他的联系方法是wro@yonsei.ac.kr

Chen Liu是克拉克森大学授电子和计算机工程系的助理教授。他从加州大学尔湾分校获得博士学位。他的技术兴趣包括计算机体系结构、高性能计算以及面向科学计算的硬件加速。他的联系方法是cliu@clarkson.edu

Jean-Luc Gaudiot美国加州大学尔湾分校电气工程和计算机科学系教授。他从加州大学洛杉矶分校获得博士学位。他的技术兴趣包括并行计算、微体系结构和可重构体系结构。他的联系方法是gaudiot@uci.edu