6月24～28日，第44屆國際計算機體系結(jié)構(gòu)大會（International Symposium on Computer Architecture，簡稱ISCA）在加拿大多倫多召開。清華大學微電子所博士生李兆石在會上做了題為《不規(guī)則應用在可重構(gòu)架構(gòu)上的激進流水技術(shù)》（Aggressive Pipelining of Irregular Applications on Reconfigurable Hardware）的報告。該研究成果大幅提升了可重構(gòu)計算芯片的可編程性。
清華微電子所博士生李兆石報告研究發(fā)現(xiàn)。
可重構(gòu)計算芯片是未來計算芯片領(lǐng)域公認的重要發(fā)展方向之一，在“硅實現(xiàn)”（即用硅材料制造成集成電路）后仍可改變其運算和互連功能，能實現(xiàn)應用任務到計算引擎的空間映射，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“圖計算”“稀疏矩陣計算”等為代表的不規(guī)則應用在此類芯片上的程序開發(fā)十分困難，國際學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界長期以來普遍認為，可重構(gòu)計算芯片在可編程性上存在重大缺陷。這一難題若不解決，必將嚴重制約可重構(gòu)計算芯片的推廣應用，也會極大限制可重構(gòu)架構(gòu)軟硬件協(xié)同設計方法學的進一步發(fā)展。
針對這個難題，微電子所魏少軍、劉雷波團隊提出了一種從硬件架構(gòu)特征出發(fā)，面向特定應用領(lǐng)域設計編程模型的軟硬件協(xié)同設計方法。該方法首先分析不規(guī)則應用的計算模式，建立起一種針對不規(guī)則應用的可重構(gòu)編程模型。在該模型下，一個不規(guī)則應用被聲明為一組可并行執(zhí)行的任務，任務間的依賴關(guān)系用規(guī)則進行描述。程序員可借助該規(guī)則來描述任務間的依賴關(guān)系在何種情況下才能成立。然后，這個應用任務將被自動轉(zhuǎn)化為可重構(gòu)計算架構(gòu)上的硬件加速邏輯（如下圖所示）。任務對應一條或多條并發(fā)的流水線，通過在運行時評估規(guī)則來進行同步，從而實現(xiàn)細粒度流水線級并行。實驗結(jié)果表明，該方法獲得的加速性能和目前最先進的高性能服務器CPU相當，遠優(yōu)于現(xiàn)有在可重構(gòu)計算架構(gòu)上通過高層次綜合來自動生成的結(jié)果。該方法成功解決了不規(guī)則應用在可重構(gòu)計算架構(gòu)上高效執(zhí)行的國際公認難題，大幅提升了可重構(gòu)計算芯片的可編程性，為該類芯片在更大范圍內(nèi)的應用推廣掃清了障礙，也為該方向軟硬件協(xié)同設計方法學的發(fā)展鋪平了道路。
魏少軍、劉雷波團隊建立的可重構(gòu)編程模型。
魏少軍、劉雷波團隊本次在可重構(gòu)計算芯片上取得的重大突破，一方面有賴于該團隊在可重構(gòu)計算領(lǐng)域長期深入的研究積累，另一方面也與團隊和美國英特爾公司的重大科研合作項目密切相關(guān)。2016年1月，清華大學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)向清華大學投入經(jīng)費，其目標定位于在云計算、數(shù)據(jù)中心等商用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可重構(gòu)計算技術(shù)的大規(guī)模應用。這是英特爾公司在全球范圍內(nèi)首次與高等學校直接合作研發(fā)高性能CPU產(chǎn)品，也是該公司在全球范圍內(nèi)對高等學校做出的最大單筆研發(fā)投資之一。該項目已取得重要進展，今年4月發(fā)布了軟硬件參考設計平臺（如下圖所示），下一步將進行CPU工程樣片的流片。
基于可重構(gòu)計算技術(shù)的新型通用CPU（津逮TM）軟硬件參考平臺發(fā)布。
國際計算機體系結(jié)構(gòu)大會是計算機體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要會議?，F(xiàn)代計算芯片的很多基本思想，如超標量架構(gòu)、多級緩存、同步多線程、緩存一致性等，都在國際計算機體系結(jié)構(gòu)大會上首次被提出。本次李兆石在會上所宣讀的論文，其通訊作者是劉雷波副教授，論文合作者還包括清華大學軟件學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、劉雷波和尹首一團隊在可重構(gòu)計算方向上進行了長期的研發(fā)工作。從“十一五”到“十三五”連續(xù)獲得國家自然基金、863重點項目和國家重大專項項目的支持，五年來發(fā)表國際電氣和電子工程師協(xié)會匯刊（IEEE Transactions）論文近40篇，重要國際會議論文近30篇，授權(quán)發(fā)明專利近40項，出版專著《可重構(gòu)計算》1部。關(guān)鍵技術(shù)在信息安全芯片、可編程邏輯器件、可穿戴計算芯片上實現(xiàn)了系列化產(chǎn)業(yè)應用。