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可选主元LU分解流水线算法设计与FPGA实现

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高技术通讯 2009年第5期19卷 511-518页

作者：牛新周杰窦勇雷元武国防科技大学计算机学院长沙410073

提出了一种可以进行列主元选取的细粒度LU分解流水线算法并在现场编程门阵列(FPGA)上得到了实现。该算法可以在进行列主元选取的同时,充分利用数据的重用性,以减少数据读写次数。对其中的关键运算实现了细粒度全流水,提高了分解性能。与... 详细信息

提出了一种可以进行列主元选取的细粒度LU分解流水线算法并在现场编程门阵列(FPGA)上得到了实现。该算法可以在进行列主元选取的同时,充分利用数据的重用性,以减少数据读写次数。对其中的关键运算实现了细粒度全流水,提高了分解性能。与Celeron(R) 3.07GHz通用处理器主机相比可以得到平均6到7倍的加速比。与其他在FP-GA上实现的LU分解算法相比,该算法在占用相对较少资源和保持高分解效率的前提下提高了计算的精确度和稳定性。

关键词： LU 分解流水线并行算法列主元选取现场编程门阵列(FPGA)

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基于双向位图的CSR大规模图存储优化

计算机研究与发展 2021年第3期58卷 458-466页

作者：甘新标谭雯刘杰国防科技大学计算机学院长沙430017

大数据时代,Graph500是评测超级计算机处理数据密集型应用能力的重要工具,E级验证系统的图遍历处理能力主要受限于内存空间和访存带宽,尤其是内存空间利用率直接决定了图的测试规模和测试性能.针对天河E级验证系统小内存特征,提出了基... 详细信息

大数据时代,Graph500是评测超级计算机处理数据密集型应用能力的重要工具,E级验证系统的图遍历处理能力主要受限于内存空间和访存带宽,尤其是内存空间利用率直接决定了图的测试规模和测试性能.针对天河E级验证系统小内存特征,提出了基于双向位图的大规模图数据压缩存储方法(bidirectional-bitmap based CSR,Bi-CSR),Bi-CSR在CSR矩阵压缩的基础上引入行方向位图和列方向位图协同完成稀疏矩阵压缩存储,行方向位图主要负责行方向位图的压缩存储与索引,列方向位图除了进一步压缩图存储空间,还负责为顶点遍历向量并行优化提供加速空间.Bi-CSR大幅度减少了稀疏矩阵存储空间.面向天河E级验证系统,当图输入规模为237时,Graph500的图存储空间节约效率接近70%,全系统稳定测试性能为2.131E+12TEPS,性能最大加速比超过100倍.

关键词： Graph500 双向位图稀疏矩阵压缩存储图遍历天河E级验证系统

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边缘计算:平台、应用与挑战

计算机研究与发展 2018年第2期55卷 327-337页

作者：赵梓铭刘芳蔡志平肖侬国防科技大学计算机学院长沙410073

随着万物联网的趋势不断加深,智能手机、智能眼镜等端设备的数量不断增加,使数据的增长速度远远超过了网络带宽的增速;同时,增强现实、无人驾驶等众多新应用的出现对延迟提出了更高的要求.边缘计算将网络边缘上的计算、网络与存储资源... 详细信息

随着万物联网的趋势不断加深,智能手机、智能眼镜等端设备的数量不断增加,使数据的增长速度远远超过了网络带宽的增速;同时,增强现实、无人驾驶等众多新应用的出现对延迟提出了更高的要求.边缘计算将网络边缘上的计算、网络与存储资源组成统一的平台为用户提供服务,使数据在源头附近就能得到及时有效的处理.这种模式不同于云计算要将所有数据传输到数据中心,绕过了网络带宽与延迟的瓶颈,引起了广泛的关注.首先介绍边缘计算的概念,并给出边缘计算的定义;随后,比较了当前比较有代表性的3个边缘计算平台,并通过一些应用实例来分析边缘计算在移动应用和物联网应用上的优势;最后阐述了当前边缘计算面临的挑战.

关键词：关系模型数据库系统分布式系统软硬协同设计新硬件

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面向多核向量处理器的矩阵乘法向量化方法

计算机学报 2018年第10期41卷 2251-2264页

作者：刘仲田希国防科技大学计算机学院长沙410073

稠密矩阵乘法是大规模科学计算中许多算法的核心计算之一,文中提出一种高效的面向多核向量处理器的矩阵乘法向量化方法.提出一种按行计算的矩阵乘法向量化方法,该向量化方法的基本思想是每次同时计算C矩阵的一行元素,C矩阵第i行元素的值... 详细信息

稠密矩阵乘法是大规模科学计算中许多算法的核心计算之一,文中提出一种高效的面向多核向量处理器的矩阵乘法向量化方法.提出一种按行计算的矩阵乘法向量化方法,该向量化方法的基本思想是每次同时计算C矩阵的一行元素,C矩阵第i行元素的值由k次向量乘累加完成,每次计算都是先将A矩阵第i行的第j个元素扩展为值相同的向量,再与B矩阵的第j行向量进行乘累加计算,每一次的向量乘累加计算是在各个VPE上并行进行,计算的源数据和结果数据均保存在VPE的本地寄存器上,每个计算结果涉及的乘累加计算均在同一个VPE上完成,并且A、B、C三个矩阵的数据均是按行顺序读取,访存效率高,在k循环结束时,同时完成C矩阵第i行元素值的计算.该方法能充分开发向量处理器的标量、向量协同数据加载能力,有效减少对DDR的存储带宽需求,能够避免低效的对乘数矩阵列向量数据的访问和各个VPE间的浮点归约求和计算,取得最优的内核计算性能;将处理器的一级数据缓存和阵列存储配置为SRAM访问模式,能够避免由于Cache数据不命中而导致的存储访问延迟,提高核心计算访问一级数据缓存和阵列存储的效率,采用组播DMA传输矩阵数据,能够显著提高从DDR读取矩阵数据的效率;提出依据向量处理单元VPE数量、VPE的FMAC运算单元数量、向量存储器的容量和矩阵元素的数据类型等向量处理器体系结构特点设计最优的核心子块矩阵分块参数设计方法,能够充分开发向量处理器的多核间数据并行、核内的多VPE间的向量SIMD并行、VPE内的多个FMAC单元并行、VPE内的标、向量指令级并行等多级并行性,并根据FMAC指令延迟槽进行完全循环展开,让内核始终以峰值速度运行;提出基于两级DMA双缓冲数据搬移策略,优化和平滑多级存储结构间的数据传输,使得DMA的数据搬移时间完全重叠于内核的计算时间中,让整个矩阵计算以接近内核计算的速度运行,实现最优的计算性能和效率.在MATRIX2上的实验结果表明,提出的双精度矩阵乘法的性能达到1106.88GFLOPS,效率为96.08%,核心计算的效率达到99.39%.

关键词：多核向量处理器高性能计算矩阵乘法分块矩阵向量化

一种基于自更新的简单高效Cache一致性协议

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计算机研究与发展 2019年第4期56卷 719-729页

作者：何锡明马胜黄立波陈微王志英国防科技大学计算机学院长沙410073

随着片上多处理器系统核数的增加,当前一致性协议上存在的许多问题使共享存储系统复杂而低效.目前一些一致性协议极其复杂,例如MESI(modified exclusive shared or invalid)协议,存在众多的中间状态和竞争.并且这些协议还会导致额外失... 详细信息

随着片上多处理器系统核数的增加,当前一致性协议上存在的许多问题使共享存储系统复杂而低效.目前一些一致性协议极其复杂,例如MESI(modified exclusive shared or invalid)协议,存在众多的中间状态和竞争.并且这些协议还会导致额外失效通信,以及大量记录共享信息的目录存储开销(目录协议)或广播消息的网络开销(监听协议).对数据无竞争的程序实现了一种简单高效一致性协议VISU(valid/invalid states based on self-updating),这种协议基于自更新操作(self-updating)、只包含2个稳定状态(valid/invalid).所设计的两状态VISU协议消除了目录和间接事务.首先基于并行编程的数据无竞争(data race free, DRF)模型,采用在同步点进行自更新共享数据来保证正确性.其次利用动态识别私有和共享数据的技术,提出了对私有数据进行写回、对共享数据进行写直达的方案.对于私有数据,简单的写回策略能够简化不必要的片上通信.在L1 cache中,对于共享数据的写直达方式能确保LLC(last level cache)中数据最新从而消除了几乎所有的一致性状态.实现的VISU协议开销低、不需要目录、没有间接传输和众多的一致性状态,且更加容易验证,同时获得了与MESI目录协议几乎相当甚至更优的性能.

关键词：共享存储片上多处理器 cache一致性协议自更新 VISU协议

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高准确率的应用程序行为分析方法

电子科技大学学报 2011年第6期40卷 927-932页

作者：赵天磊唐遇星齐树波付桂涛贾小敏张民选国防科技大学计算机学院长沙410073

模拟是体系结构研究的重要手段。由于模拟的速度非常慢,有研究提出利用动态二进制翻译技术(DBT)提取程序的代表性模拟点,对代表性模拟点进行详细模拟即可获取程序的准确性能参数,从而缩短模拟时间。然而相关研究并未考虑DBT方法对模拟... 详细信息

模拟是体系结构研究的重要手段。由于模拟的速度非常慢,有研究提出利用动态二进制翻译技术(DBT)提取程序的代表性模拟点,对代表性模拟点进行详细模拟即可获取程序的准确性能参数,从而缩短模拟时间。然而相关研究并未考虑DBT方法对模拟结果准确度的影响。实验发现,对于某些程序,DBT加速方法会给模拟结果带来近20%的误差。为消除误差,系统分析了引起指令踪迹差异的原因,并提出了一系列消除这些差异的方法。实验结果证实,利用该文提出的方法,可以在不影响DBT方法性能的同时,保证其与传统模拟方法具有完全相同的精确度。

关键词： BBV Profile 二进制翻译执行踪迹应用行为分析可重现模拟 SimPoint 模拟误差

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异构多芯粒神经网络加速器

计算机辅助设计与图形学学报 2023年第5期35卷 811-818页

作者：朱郭益马胜张春元王波国防科技大学计算机学院长沙410073

随着神经网络技术的快速发展,出于安全性等方面考虑,大量边缘计算设备被应用于智能计算领域.首先,设计了可应用于边缘计算的异构多芯粒神经网络加速器其基本结构及部件组成.其次,通过预计算异构芯粒上的计算负载,将计算任务在神经网络... 详细信息

随着神经网络技术的快速发展,出于安全性等方面考虑,大量边缘计算设备被应用于智能计算领域.首先,设计了可应用于边缘计算的异构多芯粒神经网络加速器其基本结构及部件组成.其次,通过预计算异构芯粒上的计算负载,将计算任务在神经网络通道上进行划分,不断加入新的任务,逐芯粒测试并进行迭代,选取异构芯粒组合以构建神经网络加速器.最后,分别在抽样构造的测试神经网络、MobileNet以及ShuffleNet上使用这种粗粒度优化的方法构建了异构多芯粒神经网络加速器,并测试了其能耗与性能表现.实验结果表明,这种异构的设计方法可以在控制能耗同时,分别取得7.43,2.30和5.60的加速比.

关键词：芯粒异构神经网络加速器

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面向可穿戴设备的数据安全隐私保护技术综述

计算机研究与发展 2018年第1期55卷 14-29页

作者：刘强李桐于洋蔡志平周桐庆国防科技大学计算机学院长沙410073

基于可穿戴设备的移动计算被视为支撑泛在感知型应用的重要技术,它使用大范围部署的传感器持续不断地感知环境信息,利用短距通信和数据挖掘/机器学习技术传递和处理感知数据.现有的可穿戴设备相关工作主要关注新型移动应用、信息采集、... 详细信息

基于可穿戴设备的移动计算被视为支撑泛在感知型应用的重要技术,它使用大范围部署的传感器持续不断地感知环境信息,利用短距通信和数据挖掘/机器学习技术传递和处理感知数据.现有的可穿戴设备相关工作主要关注新型移动应用、信息采集、产品形态和人性化用户接口等方面的设计与实现.然而,面向可穿戴设备的数据安全隐私保护技术研究尚处于起步阶段.从数据分析者的视角来看,研究者分析可穿戴设备的数据源特点与隐私安全隐患,重点研究基于多源感知数据的个体活动识别方法和数据挖掘机制;从隐私安全保护者的视角来看,面向可穿戴设备的隐私保护技术亟需解决云辅助的隐私保护机制、隐私感知的个人信息发布和基于策略的访问控制等方面的问题.以可穿戴健康跟踪设备Fitbit为对象展开了可穿戴设备安全与隐私实例分析.最后,总结了面向可穿戴设备的隐私保护的8条技术途径,并展望了需要进一步研究的热点问题.

关键词：移动计算可穿戴设备数据安全与隐私安全威胁隐私保护

FlexTSN:一种灵活的TSN交换实现模型

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计算机研究与发展 2021年第1期58卷 153-163页

作者：杨翔瑞严锦立陈波彭锦涛李军帅全巍孙志刚国防科技大学计算机学院长沙410072

时间敏感网络(time-sensitive networking,TSN)的核心是为标准以太网赋予关键流量的确定性转发服务,同时能够实现混合优先级业务流量的一体化传输,从而成为业界和学术界备受关注的新兴技术.相比于标准以太网交换,TSN交换通过引入高精度... 详细信息

时间敏感网络(time-sensitive networking,TSN)的核心是为标准以太网赋予关键流量的确定性转发服务,同时能够实现混合优先级业务流量的一体化传输,从而成为业界和学术界备受关注的新兴技术.相比于标准以太网交换,TSN交换通过引入高精度的时间同步特性提供门控机制和时间感知的分组调度等服务,使得以太网有能力提供确定性延迟的转发服务.目前,IEEE 802.1 TSN工作组从时间同步、流管理、流控制以及可靠性等方面对TSN的设计实现提供较为完善的标准.而现有的工作难以加快TSN技术的实现和应用,其难点在于目前缺少一种面向TSN的通用交换实现模型进行快速的原型系统搭建和关键技术的验证.为此提出一种灵活的TSN交换的实现模型***基于模块化与功能松耦合的思想,将TSN交换节点解耦为通用处理模块和时间感知模块,支持TSN交换机的快速重构.此外,FlexTSN通过扩展PTP同步协议提供一种轻量级高可靠的网络管理机制用于进行细粒度集中式的状态收集和配置.然后基于该模型在可编程的FPGA平台上实现了一种支持简化的循环队列转发模型(cyclical queuing and forwarding,CQF)的TSN原型系统.通过从资源开销和服务质量等方面进行测试评估,实验结果证明FlexTSN能够实现敏捷的原型系统组网及TSN关键技术的快速验证.

关键词：现场可编程逻辑门阵列时间敏感网络模型与实现确定性转发同步