6月24～28日，第44屆國(guó)際計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)大會(huì)（International Symposium on Computer Architecture，簡(jiǎn)稱ISCA）在加拿大多倫多召開。清華大學(xué)微電子所博士生李兆石在會(huì)上做了題為《不規(guī)則應(yīng)用在可重構(gòu)架構(gòu)上的激進(jìn)流水技術(shù)》（Aggressive Pipelining of Irregular Applications on Reconfigurable Hardware）的報(bào)告。該研究成果大幅提升了可重構(gòu)計(jì)算芯片的可編程性。

清華微電子所博士生李兆石報(bào)告研究發(fā)現(xiàn)。

可重構(gòu)計(jì)算芯片是未來(lái)計(jì)算芯片領(lǐng)域公認(rèn)的重要發(fā)展方向之一，在“硅實(shí)現(xiàn)”（即用硅材料制造成集成電路）后仍可改變其運(yùn)算和互連功能，能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用任務(wù)到計(jì)算引擎的空間映射，兼具指令處理器的高靈活性和專用集成電路的高能效性。然而，因以“圖計(jì)算”“稀疏矩陣計(jì)算”等為代表的不規(guī)則應(yīng)用在此類芯片上的程序開發(fā)十分困難，國(guó)際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界長(zhǎng)期以來(lái)普遍認(rèn)為，可重構(gòu)計(jì)算芯片在可編程性上存在重大缺陷。這一難題若不解決，必將嚴(yán)重制約可重構(gòu)計(jì)算芯片的推廣應(yīng)用，也會(huì)極大限制可重構(gòu)架構(gòu)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

針對(duì)這個(gè)難題，微電子所魏少軍、劉雷波團(tuán)隊(duì)提出了一種從硬件架構(gòu)特征出發(fā)，面向特定應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)編程模型的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法。該方法首先分析不規(guī)則應(yīng)用的計(jì)算模式，建立起一種針對(duì)不規(guī)則應(yīng)用的可重構(gòu)編程模型。在該模型下，一個(gè)不規(guī)則應(yīng)用被聲明為一組可并行執(zhí)行的任務(wù)，任務(wù)間的依賴關(guān)系用規(guī)則進(jìn)行描述。程序員可借助該規(guī)則來(lái)描述任務(wù)間的依賴關(guān)系在何種情況下才能成立。然后，這個(gè)應(yīng)用任務(wù)將被自動(dòng)轉(zhuǎn)化為可重構(gòu)計(jì)算架構(gòu)上的硬件加速邏輯（如下圖所示）。任務(wù)對(duì)應(yīng)一條或多條并發(fā)的流水線，通過(guò)在運(yùn)行時(shí)評(píng)估規(guī)則來(lái)進(jìn)行同步，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度流水線級(jí)并行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法獲得的加速性能和目前最先進(jìn)的高性能服務(wù)器CPU相當(dāng)，遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有在可重構(gòu)計(jì)算架構(gòu)上通過(guò)高層次綜合來(lái)自動(dòng)生成的結(jié)果。該方法成功解決了不規(guī)則應(yīng)用在可重構(gòu)計(jì)算架構(gòu)上高效執(zhí)行的國(guó)際公認(rèn)難題，大幅提升了可重構(gòu)計(jì)算芯片的可編程性，為該類芯片在更大范圍內(nèi)的應(yīng)用推廣掃清了障礙，也為該方向軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法學(xué)的發(fā)展鋪平了道路。

魏少軍、劉雷波團(tuán)隊(duì)建立的可重構(gòu)編程模型。

魏少軍、劉雷波團(tuán)隊(duì)本次在可重構(gòu)計(jì)算芯片上取得的重大突破，一方面有賴于該團(tuán)隊(duì)在可重構(gòu)計(jì)算領(lǐng)域長(zhǎng)期深入的研究積累，另一方面也與團(tuán)隊(duì)和美國(guó)英特爾公司的重大科研合作項(xiàng)目密切相關(guān)。2016年1月，清華大學(xué)與英特爾公司簽署協(xié)議，宣布聯(lián)合研發(fā)“融合清華可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)和英特爾X86架構(gòu)的新型通用CPU”。英特爾公司在3年內(nèi)向清華大學(xué)投入經(jīng)費(fèi)，其目標(biāo)定位于在云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等商用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。這是英特爾公司在全球范圍內(nèi)首次與高等學(xué)校直接合作研發(fā)高性能CPU產(chǎn)品，也是該公司在全球范圍內(nèi)對(duì)高等學(xué)校做出的最大單筆研發(fā)投資之一。該項(xiàng)目已取得重要進(jìn)展，今年4月發(fā)布了軟硬件參考設(shè)計(jì)平臺(tái)（如下圖所示），下一步將進(jìn)行CPU工程樣片的流片。

基于可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的新型通用CPU（津逮TM）軟硬件參考平臺(tái)發(fā)布。

國(guó)際計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)大會(huì)是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要會(huì)議?，F(xiàn)代計(jì)算芯片的很多基本思想，如超標(biāo)量架構(gòu)、多級(jí)緩存、同步多線程、緩存一致性等，都在國(guó)際計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)大會(huì)上首次被提出。本次李兆石在會(huì)上所宣讀的論文，其通訊作者是劉雷波副教授，論文合作者還包括清華大學(xué)軟件學(xué)院鄧仰東副教授和微電子所尹首一副教授等。

微電子所魏少軍、劉雷波和尹首一團(tuán)隊(duì)在可重構(gòu)計(jì)算方向上進(jìn)行了長(zhǎng)期的研發(fā)工作。從“十一五”到“十三五”連續(xù)獲得國(guó)家自然基金、863重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家重大專項(xiàng)項(xiàng)目的支持，五年來(lái)發(fā)表國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)匯刊（IEEE Transactions）論文近40篇，重要國(guó)際會(huì)議論文近30篇，授權(quán)發(fā)明專利近40項(xiàng)，出版專著《可重構(gòu)計(jì)算》1部。關(guān)鍵技術(shù)在信息安全芯片、可編程邏輯器件、可穿戴計(jì)算芯片上實(shí)現(xiàn)了系列化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。