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Cooperative Computing Techniques for a Deeply Fused and Heterogeneous Many-Core processor Architecture

Journal of Computer Science & Technology 2015年第1期30卷 145-162页

作者：郑方李宏亮吕晖过锋许晓红谢向辉 State Key Laboratory of Mathematical Engineering and Advanced Computing Wuxi 214125 China

Due to advances in semiconductor techniques, many-core processors have been widely used in high performance computing. However, many applications still cannot be carried out efficiently due to the memory wall, which has become a bottleneck in many-core processors. In this paper, we present a novel heterogeneous many-core processor architecture named deeply fused many-core （DFMC） for high performance computing systems. DFMC integrates management processing ele- ments （MPEs） and computing processing elements （CPEs）, which are heterogeneous processor cores for different application features with a unified ISA （instruction set architecture）, a unified execution model, and share-memory that supports cache coherence. The DFMC processor can alleviate the memory wall problem by combining a series of cooperative computing techniques of CPEs, such as multi-pattern data stream transfer, efficient register-level communication mechanism, and fast hardware synchronization technique. These techniques are able to improve on-chip data reuse and optimize memory access performance. This paper illustrates an implementation of a full system prototype based on FPGA with four MPEs and 256 CPEs. Our experimental results show that the effect of the cooperative computing techniques of CPEs is significant, with DGEMM （double-precision matrix multiplication） achieving an efficiency of 94%, FFT （fast Fourier transform） obtaining a performance of 207 GFLOPS and FDTD （finite-difference time-domain） obtaining a performance of 27 GFLOPS.

关键词： heterogeneous many-core processor data stream transfer register-level communication mechanism hardwaresynchronization technique processor prototype

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