一种基于x86架构处理器和FPGA的高性能异构计算平台的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明公开一种高性能异构计算平台，属于计算机存构建技术领域，具体地说是一种基于X86架构处理器和FPGA的高性能异构计算平台。
【背景技术】
[0002]高性能计算HPC(High Performance Computing)是指利用具有超强计算能力的高性能计算机解算当今超大、超高、超复杂的计算任务。目前国内外实现高性能计算的主流方案是计算机集群机系统，核心计算单元一般采用基于通用处理器即CPU架构或基于CPU结合GPU的异构计算架构。虽然采用GPU构成异构计算平台，提高了针对某些计算任务的高性能计算系统性能，但是其计算系统的性价比和功耗依然过高，计算速度与ASIC芯片计算速度还有很大差距。本发明基于x86架构处理器和FPGA的高性能异构计算平台包括含有x86架构处理器的通用处理器模块、PCIe SWITCH模块和若干FPGA计算模块，利用PCIe总线接口进行数据传输，技术成熟，传输速度快，可满足当前高速运算的应用；本发明的整体计算平台建立后，只需开发针对不同计算任务的计算逻辑，并下载至FPGA芯片中，即可形成针对特定问题的专用计算系统，具有系统可扩展性强，可根据不同规模的应用，设计合适的FPGA计算模块数量，达到更高的计算并行度，提升整体计算性能等优点。
[0003]FPGA, Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列。不仅能够像 ASIC (Applicat1n Specific Integrated Circuit,专用集成电路)一样实现各种复杂定制的逻辑功能，而且能够集成数字信号处理DSP (Digital Signal Processing)单元和各种高速通讯接口模块，在复杂运算应用中发挥强大的计算能力，加速大规模高性能计算。同时，FPGA具有配置灵活及功耗较低的优良特性，可以重新配置实现新的逻辑功能，易于设备的维护及升级，大幅降低应用成本及电能消耗。不断提升的计算性能和重构的灵活性使得FPGA能够应对传统高性能计算机体系结构已难以应对的系统高效能挑战，在高性能计算应用领域获得更好的性价比。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有的计算系统的性价比和功耗依然过高，并且计算速度不能达到ASIC芯片计算速度的问题，提供一种基于x86架构处理器和FPGA的高性能异构计算平台，实现了计算系统可扩展性强，可根据不同规模的应用，设计合适的FPGA计算模块数量，达到更高的计算并行度，提升整体计算性能的目的。
[0005]本发明提出的具体方案是:
一种基于x86架构处理器和FPGA的高性能异构计算平台，在现有平台的基础上，具有x86架构处理器的通用处理器模块、PCIe SWITCH模块和FPGA计算模块；
其中通用处理器模块负责高性能任务的输入、输出、计算任务调度、计算资源分配、计算任务流程控制以及计算结果收集汇总；
PCIe SWITCH模块内置FPGA芯片，负责通用处理器模块与FPGA计算模块之间的互连与数据传输任务；
FPGA计算模块用于将需要运算的数据通过内部逻辑将其转化为计算结果，并进行处理与存储，提供查询和控制用的总线接口。通用处理器模块可以与多个FPGA计算模块的交互。
[0006]所述的FPGA计算模块包括内部逻辑实现单元和外部存储单元；
内部逻辑实现单元负责内部FPGA计算模块的接收任务的逻辑运算与控制；
外部存储单元负责数据的缓存，提供数据读写功能。
[0007]所述的内部逻辑实现单元包括主管理单元、计算单元、PCIe接口控制单元、内存控制单元；
主管理单元负责系统FPGA计算模块的整体控制，包括待计算任务的接收、待计算数据的接收及缓存、计算的过程控制和计算结果的返回；
计算单元负责根据主管理单元发送的命令进行具体计算工作，计算期间可访问模块内的外部存储单元读取待计算数据。在计算完成后，将结果返回给主管理单元；
PCIe接口控制单元负责来自通用处理器模块分配的计算任务、待计算数据等信息，同时负责管理FPGA计算模块的设备热插拔、流量监控、数据完整性检测、服务质量管理；
内存控制单元负责接收来自主管理单元或者计算单元的数据请求，访问外部存储单元，并完成所需数据读写功能。
[0008]所述的外部存储单元包括DIMM内存单元，负责数据的暂存，提供数据读写功能。
[0009]所述的计算平台计算任务处理流程为:
通用处理器模块将高性能计算任务根据各个FPGA计算模块的功能特征进行分配，同时传送计算所需的原始数据；
每个FPGA计算模块接收所分配的计算任务，并将计算所需的原始数据缓存；
FPGA计算模块进行计算，计算完毕后通过PCIe总线接口将结果返回至通用处理器模块；
通用处理器模块将各个计算结果汇总，形成计算任务的最终结果。
[0010]一种基于x86架构处理器和FPGA的高性能异构计算平台处理计算任务的方法，根据所述的一种基于x86架构处理器和FPGA的高性能异构计算平台实现，处理流程为:
通用处理器模块将高性能计算任务根据各个FPGA计算模块的功能特征进行分配，同时传送计算所需的原始数据；
每个FPGA计算模块接收所分配的计算任务，并将计算所需的原始数据缓存；
FPGA计算模块进行计算，计算完毕后通过PCIe总线接口将结果返回至通用处理器模块；
通用处理器模块将各个计算结果汇总，形成计算任务的最终结果。
[0011]本发明的有益之处是:本发明采用PCIe总线接口进行数据传输，传输速度快，满足当前高速运算的应用；可编程性强，整体计算平台建立后，只需开发针对不同计算任务的FPGA计算模块的计算逻辑，至FPGA芯片中，即可形成针对特定问题的专用计算系统；系统可扩展性强，可根据不同规模的应用，设计合适的FPGA计算模块数量，达到更高的计算并行度，提升整体计算性能:性能优越，硬件平台为x86架构处理器和FPGA组成了一个拥有高处理能力的CPU控制系统。
【附图说明】
[0012]图1是本发明的架构示意图；
图2是本发明的FPGA计算模块功能单元构成示意图；
图3是本发明计算平台的计算任务处理流程示意图。
【具体实施方式】
[0013]如图1所示，基于x86架构处理器和FPGA的高性能异构计算平台的总体架构如下:
通用处理器模块中的x86系列处理器负责系统整体控制。通过PCIe总线接口与PCIeSWITCH模块相连接。通用处理器模块是计算平台结