[发明专利]高效能计算机中可重构部件的一种连接与管理方法

说明书

一、技术领域：

本发明涉及一种高效能计算机系统中通用CPU与可重构部件(如FPGA)之间的连接方法和可重构部件的一种管理方法，适用于高效能计算机系统。

二、背景技术：

经过数十年的发展，国内外在高性能计算(HPC)研究领域已经取得了丰硕的成果，所设计超级计算机的峰值速度正在接近Pflops(千万亿次浮点运行)。然而，从HPC现状和发展趋势来看，仅通过网络规模的扩展和CPU的堆砌，已很难逾越存储墙、规模墙、高能耗、高成本、低利用率等瓶颈问题，有必要探讨新的理论、技术和方法，以实现超级计算机设计的新突破。

随着可配置器件(如Field Programmable Gate Arrays，FPGA)规模和性能的不断提高，基于FPGA的可重构超级计算正在兴起。在利用可重构部件构建的高效能计算机中，可以实现软件的硬化，即利用硬件实现核心计算算法，从而大幅度提高系统的性能，降低系统的功耗；还可以实现硬件的软化，即能够通过配置FPGA来重构计算机系统使其适应计算的需求，从而充分发挥系统的作用，加快计算的处理速度。这里可重构部件指的是可现场进行配置的、与通用CPU相连的硬组件，用于对通用CPU进行计算加速。可重构高性能计算技术结合了传统硬件和软件实现方案的优点，既具有硬件并行计算的高性能，又具有软件并行计算的灵活性，它为以低代价进行超级计算提供了一条可能的途径。

在基于可重构部件的超级计算机系统中，必然会存在许多的通用CPU(数千乃至数万个)，也必然会存在许多的可重构部件(数千乃至数万个)。在利用高效能计算机处理某个具体任务之前，必须根据任务的需求对可重构部件进行适当的配置，即将可重构部件配置成专门用于完成某项处理或计算的硬件设备。对一个具体任务来说，它可能需要将可重构部件配置成同一种类型的硬件设备，也可能需要将可重构部件配置成多种类型的硬件设备。另一方面，对一个通用CPU来说，它可能不需要可重构部件、可能需要一个可重构部件、也可能需要多个可重构部件。因而，在高效能计算机系统中，需要提供一种可重构部件的配置方法，用于根据任务的需要，灵活、快速地配置可重构部件；需要提供一种通用CPU与可重构部件之间的连接方法，用于快速打开、关闭通用CPU与可重构部件之间的连接；还需要提供一种可重构部件的管理方法，用于可重构部件的分配、释放与回收，即根据任务处理的需求，将可重构部件分配给通用CPU，在通用CPU和可重构部件之间建立起专用的连接关系和从属关系。在为通用CPU分配完可重构部件之后，通用CPU即可开始任务的处理，如利用可重构部件完成特定的计算等。当然，处理完之后，通用CPU要释放可重构部件，以便对其进行重新配置和分配。在需要时，可重构部件管理系统还应能够主动回收已分配出去的可重构部件，以满足其它任务的需求。

然而，目前通用CPU与可重构部件之间的连接关系是固定的，基本无法将连接到一个通用CPU的可重构部件再分配给其它的通用CPU，即使该CPU不使用与之相连的可重构部件。说明书附图中图1、图2、图3是目前常用的三种通用CPU与可重构部件的连接方式。其中，图1为协处理方式，通用CPU与可重构部件之间的连接非常紧密，这种可重构部件只能被与之相连的通用CPU使用，不可能再将其连接到其它通用CPU之上。图2为附加处理方式，通用CPU与可重构部件之间的连接也很紧密，这种可重构部件也只能被与之相连的通用CPU使用，不可能再将其连接到其它通用CPU之上。图3为独立处理方式，可重构部件作为单独的设备通过I/O接口与通用CPU连接。虽然这是一种较为松散的连接方式，但这种可重构部件仍然难以被其它通用CPU使用，也不能再将其连接到其它的通用CPU之上，除非它有多个连接端口。

由此可见，现有的连接方式都是较为紧密的，一旦连接之后，通用CPU与可重构部件之间的连接关系很难调整，可重构部件只能被与之相连的通用CPU使用。如果通用CPU A要想使用连接在通用CPU B上的可重构部件F，它只能向CPU B发送消息，请求CPU B代替自己使用可重构部件F。这种使用方式增加了CPU B的处理负担，因为它要处理来自其它CPU的消息，替其它CPU驱动可重构部件，并要将处理结果发送给请求者CPU。这种使用方式也增加了通用CPU之间的通信负担，因为在通用CPU之间要传送处理数据和处理结果。