基本信息
- 项目名称：
- 基于FPGA可重构计算技术的科学计算平台
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品实现 FPGA-PC运算任务的协同工作 ，用户使用图形化语言编程 ，硬件系统对于用户透明， 硬件生成和加速工作由软件调度自动完成，整个系统构成一个科学计算平台。
- 详细介绍：
- 目前科研方面对于硬件运算能力的需求已经远远超出了传统处理器的能力所及。一种解决方法是通过硬件加速。FPGA 方案在价格、性能、易用性以及功耗方面具有优势，主要用于非常高端的高性能计算(HPC)方面。但是FGPA是纯硬件，灵活性相对较差，而且编程复杂。本课题针对FPGA硬件加速系统应用建立困难的问题，研究了数学算法转换为硬件逻辑描述的问题和FPGA与计算机科学计算系统混合运算的问题，采用FPGA可重构数字电路硬件加速的方法在Scilab中实现软硬件联合科学计算，研究并实现了使用图形化方法把数学算法转换到硬件逻辑的方法和软件，最终实现PC与FPGA相结合的科学计算原型系统。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本系统目标是： 实现 FPGA-PC运算任务的协同工作 ，与科学计算软件结合，用户使用图形化语言编程 ，硬件系统对于用户透明， 硬件生成和加速工作由软件调度自动完成，整个系统构成一个科学计算平台。 创新点： 1 研究了把数学算法采用图形化方法转换为硬件逻辑的方法，并且开发出了对应的软件工具； 2 设计实现了在开源的科学计算软件Scilab环境下 FPGA与Scilab科学计算任务进行协同运算的硬件系统； 3 第1点和第2点综合，整个系统构建了FPGA-PC协同运算的通用可重构计算系统原型 技术关键： 1 数学算法转换为数字电路硬件逻辑的理论方法和软件； 2 开发与PC进行接口的FPGA硬件模块； 3 在科学计算软件环境下实现PC与FPGA系统协同运算(目前采用开源的科学计算系统Scilab)。
科学性、先进性
- 本课题研究和探索了 1 数学算法转换成为硬件逻辑的方法； 2 研究了与科学计算软件协同工作的硬件系统结构； 3 在以上工作基础上实现了基本的原型系统，并且进行了简单测试，证明了系统的有效性。 在基于FPGA可重构计算系统领域，类似的产品国际上主要有美国的星桥公司和欧洲的高性能计算联盟有系统产品出售。国内的研究尚处于起步阶段。基于开源的科学计算软件和可重构计算技术的计算系统只有我们的小组在做。 本原型系统的建立对于当前的可重构计算、高速信号处理、FPGA应用设计乃至IC 设计都有着重要意义 ，其关键的问题在于给用户提供数学算法向硬件逻辑转换的软件及联机工作的FPGA硬件系统，以此来帮助用户更加快速的建立应用。 基于FPGA的可重构高性能计算将有可能大大降低对于超级计算机的需求，大量的科学计算问题将有可能提供FPGA的硬件逻辑得以实现。基于FPGA的可重构高性能计算系统的硬件成本相比高性能超级计算机来说较低，更加有利于普及和推广。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 原型系统
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 软硬件实物展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.有利于探索和建立数学算法向硬件逻辑转换的理论方法，提供了一种由数学算法向硬件逻辑转换的高级语言设计工具，降低了使用难度，加快了可重构计算电路设计速度 2.能够利用FPGA可以提供大量的并行资源的优势，大大提高了运算执行速度。科学计算问题将有可能由硬件成本和功耗比超级计算机较低FPGA的硬件逻辑实现 3.基于开源的Scilab软件设计的系统软件，有利于促进国内FPGA可重构计算和EDA技术的发展。 适用范围：FPGA可重构计算技术的研究，利用并行计算解决大规模科学计算问题以及视频图像压缩等运算量较大的问题。 市场分析：对于解决高性能计算问题有先天优势的FPGA可重构系统有可能成为未来高性能计算领域的趋势，在某些领域FPGA加速已经展示出了巨大的潜力，因此我们可以预测，未来FPGA高性能计算将有广阔的市场，带来良好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 在基于FPGA的可重构计算领域国际上主要有SGI，XtremeData，Nallatech，美国星桥公司和苏格兰爱丁堡大学FPGA高性能计算联盟研究类似产品。例如SGI公司的采用Xilinx Virtex 4 LX220 FPGA组成 RASCTM RC100刀片；XtremeData公司采用了多片Altera® Stratix® III FPGA 的XD2000i In-Socket加速器；Nallatech支持Xilinx Virtex-II，Virtex-II Pro和Virtex-4 FPGAs的高性能FPGA并行运算系统；美国星桥公司采用Xilinx公司FPGA芯片的售价为350000美元HC-62；以及苏格兰爱丁堡大学FPGA高性能计算联盟采用了Xilinx的FPGA的Maxwell。他们的硬件产品较为成熟，但价格昂贵，大量设计工作依靠手工方法完成，并要求用户掌握算法、并行计算、硬件描述语言和电路设计等大量相关知识及丰富的设计经验，设计难度很大，设计周期较长。而我们设计的作品虽然在规模和稳定性方面和他们的产品有很大差距，但我们探索了一条利用图形化方法将数学算法向硬件逻辑转换的方法，使得更多的人能够加入到可重构计算研究领域，从而促进可重构计算技术的发展。另外鉴于这项主要用于国防和通信等领域的技术，更应该大力发展具有自主知识产权的可重构计算技术。 在国内主要有中国科学技术大学的周学海，罗赛，沈英哲等在可重构计算系统结构，硬件划分算法和离线布局算法等领域研究；复旦大学的彭澄廉，陈伟男,李万才等在数据加密等应用领域研究；以及中国科学院科院计算机研究所的吴冬冬，张佩珩等在可重构计算系统设计和硬件加速以太网卡方面研究；但尚无能够利用图形化的方法方便的将数学算法转化为硬件逻辑的，利于推动FPGA可重构计算应用的通用可重构运算平台，本作品研究了基于FPGA的通用计算平台，设计了系统综合，编译，仿真软件和PC机和FPGA接口技术，本系统的特点是工业级的系统软件，这样的通用计算平台有利于推动国内EDA技术的发展。另外基于开源的科学计算软件和可重构计算技术的计算系统只有我们的小组在做（）。
