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一种嵌入铁电晶体管内容寻址存储器的高能效浮点运算结构

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电子与信息学报 2021年第6期43卷 1518-1524页

作者：张力高迪陈烁卢旭东庞展曦陈闯涛尹勋钊卓成浙江大学信息与电子工程学院杭州310007 浙江大学国际联创中心海宁314400

随着数据密集型应用的日益增多,内存墙问题已成为制约计算效率的瓶颈。该文提出一种新型的浮点数(FP)运算结构,该结构嵌入了基于铁电场效应晶体管(FeFET)的三元内容寻址存储器(TCAM)以实现高效的计算。通过特定规则设计的超高密度TCAM结... 详细信息

随着数据密集型应用的日益增多,内存墙问题已成为制约计算效率的瓶颈。该文提出一种新型的浮点数(FP)运算结构,该结构嵌入了基于铁电场效应晶体管(FeFET)的三元内容寻址存储器(TCAM)以实现高效的计算。通过特定规则设计的超高密度TCAM结构,可以用能效更高的TCAM搜索操作代替部分传统浮点运算,从而节约整体能耗。仿真实验证明,该文所提结构和运算执行流程,与常规浮点运算单元(FPU)相比,可以降低多达33%的能耗。

关键词：铁电场效应晶体管三元内容寻址寄存器浮点运算能效

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基于粗粒度可重构处理器的浮点乘加算法

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2017年第4期50卷 437-445页

作者：高静杜增权高天野罗韬史再峰天津大学微电子学院天津300072 天津大学计算机学院天津300072

在粗粒度可重构处理器中,往往采用以定点代替浮点或嵌入专用的浮点计算单元的方式来处理应用中的浮点运算,从而导致在面对大动态范围运算时精度不够,造成系统面积与功耗的增加.本文提出了一种在通用粗粒度可重构处理器上用定点运算单元... 详细信息

在粗粒度可重构处理器中,往往采用以定点代替浮点或嵌入专用的浮点计算单元的方式来处理应用中的浮点运算,从而导致在面对大动态范围运算时精度不够,造成系统面积与功耗的增加.本文提出了一种在通用粗粒度可重构处理器上用定点运算单元实现浮点乘加运算的方法,采用8个可重构处理单元实现1次乘或加的浮点运算,该方法不仅兼容了IEEE-754的单精度浮点标准而且没有增加任何浮点运算硬件.在模拟器上对系统性能进行测试,使用本文的方法,在通用粗粒度可重构处理器上实现浮点乘法运算性能提升2.09倍,浮点加法运算性能提升1.68倍.

关键词：可重构处理器粗粒度浮点运算

一种基于RISC-Ⅴ指令集的浮点运算单元研究与设计

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一种基于RISC-Ⅴ指令集的浮点运算单元研究与设计

作者：姜璟韬山东大学

学位级别：硕士

近年来,芯片行业发展呈现出快速增长的态势。全球范围内,各国政府和企业都在积极投入资源和资金来加强研发和生产。在这种背景下,一种名为RISC-Ⅴ的新兴精简指令集引起了国内外学者广泛的关注与研究。RISC-Ⅴ指令集由加州大学伯克利分... 详细信息

近年来,芯片行业发展呈现出快速增长的态势。全球范围内,各国政府和企业都在积极投入资源和资金来加强研发和生产。在这种背景下,一种名为RISC-Ⅴ的新兴精简指令集引起了国内外学者广泛的关注与研究。RISC-Ⅴ指令集由加州大学伯克利分校的研究团队于2010年提出,相较于CISC指令集(复杂指令集),RISC-Ⅴ指令集架构的指令数量更少、指令格式更加规范化、指令长度更加统一,从而降低芯片设计难度。同时RISC-Ⅴ开源的特性也吸引着越来越多的公司和组织加入到RISC-Ⅴ的开发和推广中来,使得RISC-Ⅴ在各个领域的应用得到了快速的发展。应用场景的增多意味着处理器需要处理的数据更加繁杂,越来越多的应用需要高精度的浮点运算,例如模拟器、仿真器、科学计算、图形处理等领域。因此,浮点运算单元作为计算机中的重要组成部分,对它的研究和优化已经成为计算机体系结构和芯片设计领域的重要研究方向之一。本文基于RISC-Ⅴ浮点指令集,设计了一种浮点运算单元,满足IEEE754单精度浮点数标准,能够完成浮点加减法和浮点乘法。本文的主要工作在于:(1)按照逻辑功能和运算顺序设计了运算单元的四级流水线架构,各级流水线并行处理,提高了运算单元的运行效率。(2)对于运算过程中的复杂模块进行了算法上的优化,浮点加法器中使用K-S树结构来进行尾数相加处理,与传统串行加法相比速度明显提升;浮点乘法器中引用了一种改进的4:2CSA构成Wallace Tree结构,实现了对乘法器部分积相加的处理。(3)对一些运算中的特殊情况采用了结果旁路设计方法,免去额外的运算,进一步提高运算单元的效率并降低功耗。设计完成后,对整个数据通路与运算单元进行了仿真与综合。结果表明,本文的浮点运算单元可以实现RISC-Ⅴ浮点加减法和乘法指令的执行,四级流水线结构的设计使得加法器和乘法器均可满足100MHz时钟频率的要求,在TSMC90nm工艺库下,综合得到功耗分别为0.9946mW和0.7381mW。与市面上开源RISC-Ⅴ浮点运算单元相比有着低功耗的特点。本文成果为RISC-Ⅴ浮点运算单元的研究提供了一个新的实现方案,符合国家战略需求。

关键词： RISC-Ⅴ 浮点运算流水线 K-S树

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多GM管辐射源定向测量装置开发

核电子学与探测技术 2020年第1期40卷 188-192页

作者：李国栋陈法国郭荣唐智辉韩毅杨明明中国辐射防护研究院太原030006

利用单片机完成了多GM组件放射源定向测量装置探测系统和数据处理系统的开发,探测系统利用双管切换电路扩展量程,数据处理系统选用主控为STM32F767IGT6芯片的ARM核心板,其FLASH容量和双精度硬件浮点运算单元能满足神经网络算法移植需求... 详细信息

利用单片机完成了多GM组件放射源定向测量装置探测系统和数据处理系统的开发,探测系统利用双管切换电路扩展量程,数据处理系统选用主控为STM32F767IGT6芯片的ARM核心板,其FLASH容量和双精度硬件浮点运算单元能满足神经网络算法移植需求.精度测试显示角度计算偏差主要来源于截断和舍入模式差别,装置可稳定实时动态测量辐射源角度,样机辐射源试验显示其测量误差在-6°~7°之间.

关键词：定向装置 STM32 BP神经网络浮点运算

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基于GPU的稀疏矩阵存储格式优化研究

计算机工程 2019年第9期45卷 23-31,39页

作者：杨世伟蒋国平宋玉蓉涂潇南京邮电大学计算机学院南京210023 南京邮电大学自动化学院南京210023

稀疏矩阵存储格式中的稀疏矩阵向量乘(SpMV)计算效率低下,且分块行列(BRC)存储格式的计算结果缺少再现性和确定性。为此,提出一种改进的BRCP存储格式。采用不同的二维分块策略,根据矩阵各行非零元素分布的统计特性自适应调节分块参数,提... 详细信息

稀疏矩阵存储格式中的稀疏矩阵向量乘(SpMV)计算效率低下,且分块行列(BRC)存储格式的计算结果缺少再现性和确定性。为此,提出一种改进的BRCP存储格式。采用不同的二维分块策略,根据矩阵各行非零元素分布的统计特性自适应调节分块参数,提高SpMV在GPU平台上的并行性,并设计基于快速分段求和算法的GPU内核函数,保证计算结果的确定性及其在不同GPU平台上的再现性。实验结果表明,BRCP存储格式具有较高的计算效率,相比BRC存储格式可减少并行环境中的SpMV计算误差,并提高PageRank排序的准确率。

关键词：稀疏矩阵向量乘计算统一设备架构图形处理器存储格式浮点运算

基于FPGA的并行模糊控制算法的研究与实现

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基于FPGA的并行模糊控制算法的研究与实现

作者：徐淑静中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

学位级别：硕士

卫星激光通信具有通信容量大、抗干扰性强、质量轻、保密性好等突出优势,得到广泛的研究与应用。卫星激光通信链路的建立与保持,主要由捕获、跟踪、瞄准(Acquisition,Tracking,Pointing,ATP)系统性能决定。其中卫星平台振动是影响ATP跟... 详细信息

卫星激光通信具有通信容量大、抗干扰性强、质量轻、保密性好等突出优势,得到广泛的研究与应用。卫星激光通信链路的建立与保持,主要由捕获、跟踪、瞄准(Acquisition,Tracking,Pointing,ATP)系统性能决定。其中卫星平台振动是影响ATP跟踪瞄准精度的主要原因之一。为抑制平台宽频抖动带来的误差,需要具有高速、高精度处理性能的精跟踪系统。传统精跟踪控制系统主流处理器为DSP、PC104、Power PC等串行式处理器,具有易于开发实现浮点控制算法的特点,但这类处理器在控制算法的实时处理能力上受到限制;FPGA具有高帧频、并行处理的特点,但传统FPGA开发具有设计过程繁琐,调试困难,且不易于实现浮点运算的问题。另一方面,在太空中的各种振动造成控制系统的非线性增加,而太空中不方便人为维护,采用传统参数固定的PID(Proportion Integration Differentiation)控制器难以达到良好的控制效果的问题。针对上述问题,本文主要研究如何在FPGA上实现并行浮点控制算法,复合传统PI算法与模糊控制算法,力求实现高速高精度的处理效果以及高精度的控制。通过模型化方法(System Generator,SG)搭建实现浮点模糊PI算法,并应用于FSM的控制系统中,完成FPGA的硬件实现。具体涉及:1.针对传统硬件编程设计方法存在设计过程繁琐、开发周期长、设计效率低、算法翻译困难、浮点运算实现困难算等问题。本文参考应用在数字信号处理领域的SG模型化设计方法,结合控制算法设计的需求,提出基于SG的浮点控制算法的设计架构。在面对抽象复杂的模糊算法设计中深入理解算法本质,采用SG基础的数学模块搭建复杂智能算法。实验结果表明,模型化方法实现的浮点模糊PI控制算法成功应用于FSM的系统中并取得良好的控制效果,有力证明基于SG模型化设计方法的可行性。2.针对卫星激光通信对高速、高精度处理的需求问题。本文通过模型化方法实现并行浮点控制算法。在面对算法搭建中时序违例问题,提出插入寄存器拆分大的组合逻辑,提高算法处理的吞吐率。实验结果表明,相比传统定点PI控制算法,本文设计的浮点控制算法具有高精度的运算,控制系统收敛更快,稳态误差更小;FPGA实现的模糊PI控制算法最快可达47.828MHz的运算频率,相比DSP等串行式处理器,本文实现的基于FPGA的控制算法具有高速的处理性能。3.针对太空中多种振动源而导致控制系统的非线性增加,且太空中不易人为进行控制器维护的问题。本文复合传统PI控制与模糊PI控制,实现参数可自整定的模糊PI控制器。本文提出面积平均法在线求解边缘模糊集合中心点值,通过改进模糊算法提高其可靠性。FSM控制的硬件实验结果表明,无论是阶跃响应还是正弦信号跟踪,设计的模糊PI控制器相比传统PI控制器,其控制精度更高,系统收敛更快,控制性能更好。在FPGA设计方法上,采用SG模型化设计方式实现浮点控制算法,提高FPGA的开发效率以及设计的实用性,拓展FPGA在控制领域的应用;在卫星激光通信需求上,利用FPGA实现并行浮点模糊PI控制算法,提高了处理器性能、运算精度以及控制精度,为卫星激光通信链路的建立与保持提供了重要的工程应用价值。

关键词： FPGA System Generator 并行处理浮点运算模糊PI

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新闻

汽车与配件 2022年第15期 12-23页

中国最大自动驾驶智算中心建成8月2日,小鹏汽车宣布在乌兰察布建成中国最大的自动驾驶智算中心“扶摇”,用于自动驾驶模型训练。“扶摇”基于阿里云智能计算平台,算力可达600PFLOPS(每秒浮点运算60亿亿次),将小鹏汽车自动驾驶核心模型... 详细信息

中国最大自动驾驶智算中心建成8月2日,小鹏汽车宣布在乌兰察布建成中国最大的自动驾驶智算中心“扶摇”,用于自动驾驶模型训练。“扶摇”基于阿里云智能计算平台,算力可达600PFLOPS(每秒浮点运算60亿亿次),将小鹏汽车自动驾驶核心模型的训练速度提升了近170倍。通过与阿里云合作,“扶摇”以更低成本实现了更强算力。

关键词：自动驾驶阿里云智能计算浮点运算乌兰察布模型训练核心模型速度提升

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神经网络训练处理器的浮点运算优化架构

计算机测量与控制 2023年第6期31卷 176-182页

作者：张立博李昌伟齐伟王刚戚鲁凤中国绿发投资集团有限公司北京100010 山东鲁软数字科技有限公司济南250001

针对神经网络训练加速器中存在权重梯度计算效率低的问题,设计了一种高性能卷积神经网络(CNN)训练处理器的浮点运算优化架构;在分析CNN训练架构基本原理的基础上,提出了包括32 bit、24 bit、16 bit和混合精度的训练优化架构,从而找到适... 详细信息

针对神经网络训练加速器中存在权重梯度计算效率低的问题,设计了一种高性能卷积神经网络(CNN)训练处理器的浮点运算优化架构;在分析CNN训练架构基本原理的基础上,提出了包括32 bit、24 bit、16 bit和混合精度的训练优化架构,从而找到适用于低能耗且更小尺寸边缘设备的最佳浮点格式;通过现场可编程门阵列(FPGA)验证了加速器引擎可用于MNIST手写数字数据集的推理和训练,利用24 bit自定义浮点格式与16 bit脑浮点格式相结合构成混合卷积24 bit浮点格式的准确率可达到93%以上;运用台积电55 nm芯片实现优化混合精度加速器,训练每幅图像的能耗为8.51μJ。

关键词：卷积神经网络浮点运算加速器权重梯度处理器

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东数西算:承载我国浮点运算算力的20%

数字经济 2023年第5期 46-50页

作者：晋家骧求思咨询

算力建设并非一蹴而就,投资与回报也非立竿见影。于行业而言,算力建设并不是简单的“算力”与“运力”相加。如何确保高效可靠的互联通路?如何建设绿色低碳的数据中心?如何构建一体化的服务能力?如何促进数据跨区域融通及保证数据安全... 详细信息

算力建设并非一蹴而就,投资与回报也非立竿见影。于行业而言,算力建设并不是简单的“算力”与“运力”相加。如何确保高效可靠的互联通路?如何建设绿色低碳的数据中心?如何构建一体化的服务能力?如何促进数据跨区域融通及保证数据安全可信的实现?这些都是行业所面临的问题。

关键词：浮点运算数据中心安全可信绿色低碳一体化跨区域