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面向国产高性能加速器的LLVM编译器设计及优化

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计算机工程 2024年第4期50卷 321-331页

作者：宋强唐俊龙陈照云时洋谭期轩肖紫阳邹望辉长沙理工大学物理与电子科学学院湖南长沙410114 国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

国防科技大学自主研制的高性能加速器采用中央处理器(CPU)+通用数字信号处理器(GPDSP)的片上异构融合架构,使用超长指令集(VLIW)+单指令多数据流(SIMD)的向量化结构的GPDSP是峰值性能主要支撑的加速核。主流编译器在密集的数据计算指令... 详细信息

国防科技大学自主研制的高性能加速器采用中央处理器(CPU)+通用数字信号处理器(GPDSP)的片上异构融合架构,使用超长指令集(VLIW)+单指令多数据流(SIMD)的向量化结构的GPDSP是峰值性能主要支撑的加速核。主流编译器在密集的数据计算指令排布、为指令静态分配硬件执行单元、GPDSP特有的向量指令等方面不能很好地支持高性能加速器。基于低级虚拟器(LLVM)编译框架,在前寄存器分配调度阶段,结合峰值寄存器压力感知方法(PERP)、蚁群优化(ACO)算法与GPDSP结构特点,优化代价模型,设计支持寄存器压力感知的指令调度模块;在后寄存器分配阶段提出支持静态功能单元分配的指令调度策略,通过冲突检测机制保证功能单元分配的正确性,为指令并行执行提供软件基础;在后端封装一系列丰富且规整的向量指令接口,实现对GPDSP向量指令的支持。实验结果表明,所提出的LLVM编译架构优化方法从功能和性能上实现了对GPDSP的良好支撑,GCC testsuite测试整体性能平均加速比为4.539,SPEC CPU 2017浮点测试整体性能平均加速比为4.49,SPEC CPU 2017整型测试整体性能平均加速比为3.24,使用向量接口的向量程序实现了平均97.1%的性能提升率。

关键词：通用数字信号处理器低级虚拟器编译器指令调度向量指令接口

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面向飞腾迈创DSP的自主软件栈设计

计算机工程与科学 2024年第6期46卷 968-976页

作者：时洋陈照云孙海燕王耀华文梅扈啸国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

飞腾迈创DSP是国防科技大学计算机学院为了突破卡脖子技术,解决我国相关重点领域内芯片长久受制于人的现实问题而自主设计的高性能数字信号处理器。由于该系列芯片采用全自主设计的指令集,无法兼容已有的软件,一套自主完备且高效的软件... 详细信息

飞腾迈创DSP是国防科技大学计算机学院为了突破卡脖子技术,解决我国相关重点领域内芯片长久受制于人的现实问题而自主设计的高性能数字信号处理器。由于该系列芯片采用全自主设计的指令集,无法兼容已有的软件,一套自主完备且高效的软件栈是决定飞腾迈创DSP生命力的关键。基于团队长期以来的持续工作,系统阐述了飞腾迈创DSP软件栈的设计原则与层次化架构,重点介绍了包括支持层、编译层以及工具层在内的相关软件工具的创新功能、实现方法以及性能。同时,结合用户的反馈与团队的思考,还讨论了飞腾迈创DSP软件栈未来需要探索的相关问题。

关键词： DSP 软件栈编译器调试器自主芯片

面向飞腾迈创数字处理器的内核代码自动生成框架

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计算机研究与发展 2023年第6期60卷 1232-1245页

作者：赵宵磊陈照云时洋文梅张春元国防科技大学计算机学院长沙410073

数字信号处理器(digital signal processor,DSP)通常采用超长指令字(very long instruction word,VLIW)和单指令多数据(single instruction multiple data,SIMD)的架构来提升处理器整体计算性能,从而适用于高性能计算、图像处理、嵌入式系统等各个领域.飞腾迈创数字处理器(FT-Matrix)作为国防科技大学自主研制的高性能通用数字信号处理器,其极致计算性能的体现依赖于对VLIW与SIMD架构特点的充分挖掘.不止是飞腾迈创系列,绝大多数处理器上高度优化的内核代码或核心库函数都依赖于底层汇编级工具或手工开发.然而,手工编写内核算子的开发方法总是需要大量的时间和人力开销来充分释放硬件的性能潜力.尤其是VLIW+SIMD的处理器,专家级汇编开发的难度更为突出.针对这些问题,提出一种面向飞腾迈创数字处理器的高性能的内核代码自动生成框架(automatic kernel code-generation framework on FT-Matrix),将飞腾迈创处理器的架构特性引入到多层次的内核代码优化方法中.该框架包括3层优化组件:自适应循环分块、标向量协同的自动向量化和细粒度的指令级优化.该框架可以根据硬件的内存层次结构和内核的数据布局自动搜索最优循环分块参数,并进一步引入标量-向量单元协同的自动向量化指令选择与数据排布,以提高内核代码执行时的数据复用和并行性.此外,该框架提供了类汇编的中间表示,以应用各种指令级优化来探索更多指令级并行性(ILP)的优化空间,同时也为其他硬件平台提供了后端快速接入和自适应代码生成的模块,以实现高效内核代码开发的敏捷设计.实验表明,该框架生成的内核基准测试代码的平均性能是目标-数字信号处理器(DSP)--的手工函数库的3.25倍,是使用普通向量C语言编写的内核代码的20.62倍.

关键词：内核代码生成超长指令字-单指令多数据循环分块标量-向量协同数字信号处理器

基于深度强化学习DDDQN的高速列车智能调度调整方法

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铁道科学与工程学报 2024年第4期21卷 1298-1308页

作者：吴卫阴佳腾陈照森唐涛北京和利时系统工程有限公司北京100176 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044

在高速铁路系统的日常运营中,列车经常受到各种突发事件的干扰而导致晚点,严重影响旅客出行体验。为在短时间内制定出列车运行调整方案并尽可能缩短列车晚点时间,提出一种将深度强化学习与整数规划模型相结合的列车智能调度调整方法(DDD... 详细信息

在高速铁路系统的日常运营中,列车经常受到各种突发事件的干扰而导致晚点,严重影响旅客出行体验。为在短时间内制定出列车运行调整方案并尽可能缩短列车晚点时间,提出一种将深度强化学习与整数规划模型相结合的列车智能调度调整方法(DDDQN)。首先,将线路划分为多个轨道区段相连接的形式,并基于车间作业调度问题,以最小化所有列车总晚点时间为目标,构建描述列车运行过程的整数规划模型。之后,将各列车视为智能体,根据实际运营需求定义了多智能体的状态、动作以及回报函数,并构造了2个深度神经网络以近似值函数。最后,结合上述整数规划模型设计了DDDQN的训练方法,先利用智能体在仿真环境中探索求出问题可行解,并通过2个神经网络之间的“互馈”机制,实现神经网络参数的更新。在此基础上求解整数规划模型,即可在短时间内得到问题最优解。利用京张高铁实际线路数据和运营数据进行仿真实验,通过比较3种不同求解方法在10个不同突发事件场景下得到的列车总晚点时间和求解时间,验证了所提出的DDDQN模型可以在短时间内得到问题的最优解,可降低至多30.43%的列车晚点时间以及至多68.33%的求解时间。DDDQN为提升高速铁路系统在突发事件下的应急处置能力以及运输组织效率提供了一种智能化的方法与参考。

关键词：列车智能调度调整列车晚点时间深度强化学习整数规划模型神经网络

面向迈创+MatrixZone异构系统的深度学习编程框架

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计算机工程与科学 2023年第7期45卷 1149-1158页

作者：康宇晗时洋陈照云文梅湖南师范大学信息科学与工程学院湖南长沙410081 国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

为了满足深度学习模型迭代速度快、算力要求高的需求,主流硬件厂商愈发倾向于采用通用处理器+AI专用加速核的异构系统。但是,由于AI专用加速核仅支持部分核心算子,不具备通用编程能力,如何在这样的异构架构上完成深度学习任务的高效部... 详细信息

为了满足深度学习模型迭代速度快、算力要求高的需求,主流硬件厂商愈发倾向于采用通用处理器+AI专用加速核的异构系统。但是,由于AI专用加速核仅支持部分核心算子,不具备通用编程能力,如何在这样的异构架构上完成深度学习任务的高效部署值得被深入研究。基于国产自研迈创+MatrixZone异构系统平台,设计并实现了深度学习编程框架KaiSa。KaiSa通过分析深度学习模型输入参数,识别算子类型并划分至对应计算核;对于复杂算子,KaiSa基于性能模型自动完成最优分块大小的搜索,提升双核并行计算的性能。同时,为了实现程序的高效率开发,KaiSa屏蔽了所有的底层硬件细节,给用户提供了一个友好的编程环境。实验结果表明,KaiSa可以获得高达39.0%的性能提升。

关键词：深度学习飞腾迈创脉动加速器异构系统性能优化

面向国产高性能加速器的LLVM编译器设计及优化

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计算机工程 2023年

作者：宋强唐俊龙陈照云时洋谭期轩肖紫阳邹望辉长沙理工大学物理与电子科学学院国防科技大学计算机学院

国防科技大学自主研制的高性能加速器采用了CPU+GPDSP的片上异构融合架构，使用VLIW+SIMD的向量化结构的GPDSP是峰值性能主要支撑的加速核。主流编译器在密集的数据计算指令排布、为指令静态分配硬件执行单元、GPDSP特有的向量指令等方... 详细信息

国防科技大学自主研制的高性能加速器采用了CPU+GPDSP的片上异构融合架构，使用VLIW+SIMD的向量化结构的GPDSP是峰值性能主要支撑的加速核。主流编译器在密集的数据计算指令排布、为指令静态分配硬件执行单元、GPDSP特有的向量指令等方面不能很好地支持高性能加速器。本文基于LLVM编译框架，在前寄存器分配调度阶段，结合PERP算法、ACO算法与GPDSP结构特点，优化代价模型，设计支持寄存器压力感知的指令调度优化;在后寄存器分配阶段提出了支持静态功能单元分配的指令调度策略，通过冲突检测机制保证功能单元分配的正确性，为指令并行执行提供软件基础;并在后端封装了一系列丰富且规整的向量指令接口，实现对GPDSP向量指令的支持。实验结果表明本文提出的LLVM编译架构优化从功能和性能上实现了对GPDSP的良好支撑，GCC testsuite测试整体性能平均加速比为4.539，SPEC CPU 2017浮点测试整体性能平均加速比为4.49，SPEC CPU 2017整型测试整体性能平均加速比为3.24，使用向量接口的向量程序实现平均35.2的加速比。

关键词： GPDSP LLVM 编译器指令调度向量指令接口

人工全膝关节置换术治疗蜡油样骨病膝关节僵硬一例

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中国修复重建外科杂志 2024年第5期38卷 633-634页

作者：李盛杰陈照宇云南省第三人民医院创伤外科昆明650106 北京大学人民医院关节病诊疗研究中心北京100044

1病例介绍患者女,52岁。因“左膝及左踝关节隐痛伴活动受限22年”于2023年9月于北京大学人民医院关节病诊疗研究中心就诊。患者22年前扭伤左踝部,感左膝、踝部疼痛肿胀,活动受限并逐渐进展,未行特殊治疗。之后6年患者左膝、踝部疼痛难忍... 详细信息

1病例介绍患者女,52岁。因“左膝及左踝关节隐痛伴活动受限22年”于2023年9月于北京大学人民医院关节病诊疗研究中心就诊。患者22年前扭伤左踝部,感左膝、踝部疼痛肿胀,活动受限并逐渐进展,未行特殊治疗。之后6年患者左膝、踝部疼痛难忍,口服止痛药不缓解,于当地医院就诊,X线片检查示左下肢从髋部至足踝部存在密度增高的硬化性皮质增生,左膝关节和足踝有大量骨性增生,沿股骨和胫骨流动,形如“融化的蜡滴落”;首次诊断:蜡油样骨病;遂行左膝、踝关节肿块切除术。但术后患者左膝、踝关节疼痛加重,活动仍受限,无明显改善。

关键词：蜡油样骨病膝关节僵硬人工全膝关节置换术

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深度学习在光纤成像中的应用进展

激光与光电子学进展 2024年

作者：孙佳伟陈照青赵斌李学龙上海人工智能实验室智能光电中心西北工业大学光电与智能研究院中国电信人工智能研究院

光纤成像技术借助光纤的微小尺寸与柔韧性以实现对狭窄区域的高分辨率成像，在生物医学、工业检测等领域有广泛应用。然而，在基于多芯与多模光纤的成像系统中，存在着诸多瓶颈问题限制其成像分辨率与精度。本文简要介绍了荧光成像、定... 详细信息

光纤成像技术借助光纤的微小尺寸与柔韧性以实现对狭窄区域的高分辨率成像，在生物医学、工业检测等领域有广泛应用。然而，在基于多芯与多模光纤的成像系统中，存在着诸多瓶颈问题限制其成像分辨率与精度。本文简要介绍了荧光成像、定量相位成像、散斑成像、光谱成像等多种光纤成像模态中应用深度学习解决瓶颈问题的代表性工作，并讨论了深度学习与光纤成像交叉研究领域的现有瓶颈，展望了智能光纤成像系统的广泛应用前景。

关键词：光纤成像深度学习多芯光纤多模光纤内窥成像

缓释肥定额施用对双季晚稻产量及氮肥利用率的影响

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浙江农业科学 2024年

作者：麻理亚胡泽凡叶挺云陈照明瑞安市农业农村局浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所

探讨缓释肥定额制施用对双季晚稻产量、氮素积累量及氮肥利用率的影响，为浙南地区晚稻生产上推广应用缓释肥定额制施肥技术提供理论依据。采用大田试验，在瑞安市飞云街道和马屿镇同时设置不施氮肥（CK）、常规施肥（CF1）、常规减量... 详细信息

探讨缓释肥定额制施用对双季晚稻产量、氮素积累量及氮肥利用率的影响，为浙南地区晚稻生产上推广应用缓释肥定额制施肥技术提供理论依据。采用大田试验，在瑞安市飞云街道和马屿镇同时设置不施氮肥（CK）、常规施肥（CF1）、常规减量施氮（CF2）、配方肥定额制施用（PF）和缓释肥定额制施用（SF）5个处理。结果表明，与CF1处理相比，CF2处理使晚稻增产2.65%～4.88%。PF和SF处理较CF1处理晚稻分别增产8.00%～9.76%和10.2%～12.7%；较CF2处理分别增产4.65%～5.20%和7.34%～7.45%。SF处理的增效效果优于PF处理。与CF1和CF2处理相比，SF处理提高了晚稻氮肥表观利用率、农学效率和偏生产力，而PF处理的晚稻氮肥利用率在2个试验点表现有所差异。综上，对于浙南地区双季晚稻生产上，缓释肥定额制施用具有省工增效的作用，具有积极的推广应用价值。

关键词：晚稻定额施肥缓释肥产量氮肥利用率