摘要：論述了粗粒度可配置計算結(jié)構(gòu)的特點、發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：粗粒度 配置 并行計算

可配置計算又稱為自適應(yīng)計算。它是由多個具有可重配置功能的功能單元（PE）和可以配置不同數(shù)據(jù)傳遞方向的連續(xù)線路一起構(gòu)成的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，如所示。現(xiàn)在，可重配置計算分為兩類：細(xì)粒度配置和粗粒度配置。細(xì)粒度配置計算主要體現(xiàn)在FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列），它在數(shù)字邏輯芯片開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計等方面應(yīng)用非常廣泛，但由于細(xì)粒度的原因，其實際邏輯單元僅占實際芯片面積的10%，其余被開關(guān)、RAM、布線網(wǎng)絡(luò)所占有，功耗和工作頻率都不是非常理想，在處理一些規(guī)則運(yùn)算，如乘法時效率不高。相對的，粗粒度配置計算的粒度一般為4、8、16、32位，非常適合進(jìn)行算法級操作。試想一下，如果要處理10000×20000像素的圖片，用現(xiàn)在的計算機(jī)能夠?qū)崟r完成嗎？但應(yīng)用粗粒度可配置計算結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算機(jī)能夠完成。在數(shù)字信號處理領(lǐng)域，算法一般都遵循90/10的規(guī)律。即在一個算法中，90%是重復(fù)單一或類似功能的規(guī)則操作，不規(guī)則的靜態(tài)操作只占10%。如果針對算法中的規(guī)則操作設(shè)計處理單元（PE），并通過多個處理單元（PE）組成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行并行計算，在功耗比較小時，其計算能力或者說處理速度將非?？?，能夠完成大數(shù)據(jù)量、大運(yùn)算量的算法。同時隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，特別是SOC（單芯片系統(tǒng)集成）技術(shù)的興起，在一個芯片中，可以很容易集成幾百萬門的電路，為粗粒度可配置計算的研究和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
1 粗粒度可配置結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)處理

在可重配置計算中，一般提供了配置過程和計算過程。根據(jù)計算任務(wù)的不同，首先對處理單元和連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的配置，之后再對數(shù)據(jù)流進(jìn)行計算。是傳統(tǒng)的處理器與粗粒度可重配置結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理流程的比較。從中可以看到，馮·諾曼類型的指令流被配置流和數(shù)據(jù)流所代替。粗粒度可配置計算結(jié)構(gòu)將軟件的靈活與硬件的高速結(jié)合在一起，從嶄新的角度設(shè)計數(shù)字信號處理器。與傳統(tǒng)的處理器相比，具有以下特點：

（1）傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的指令流被配置流所代替，不再是單個指令的乘加或移位運(yùn)算，而是不同功能如濾波、FFT、矩陣相乘等的順序執(zhí)行。

（2）各單元功能可以配置，與傳統(tǒng)的處理器指令不同，設(shè)計全新的配置指令。通過配置為不同功能單元的組合，完成相應(yīng)的功能。由于是用硬件實現(xiàn)各功能，功耗低。

（3）不存在傳統(tǒng)處理器從RAM中讀取指令問題，且結(jié)構(gòu)中有多個RAM區(qū)和I/O可用，可有效解決馮·諾曼瓶頸，加快數(shù)據(jù)處理速度。

（4）多個單元的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，鏈路可配，具有極強(qiáng)的并行處理能力。將編譯之后的算子網(wǎng)表與實際結(jié)構(gòu)中的處理單元一一對應(yīng)的過程是映射與路徑尋優(yōu)的過程，主要指map(映射)、place(放置)、route(路由)三步。涉及的優(yōu)化算法主要有：模擬退火算法、遺傳算法、談判擁塞算法等。
2 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀

粗粒度重配置計算早見于20世紀(jì)60年代，是Gerald Estrin教授提出的“固定加可變結(jié)構(gòu)計算機(jī)”，但因為受當(dāng)時芯片制造水平的限制，只是一個概念而已。進(jìn)入90年代，隨著VLSI（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)的發(fā)展，以“可編程開關(guān)（programswitch）”為基礎(chǔ)的粗粒度可配置計算結(jié)構(gòu)不斷被開發(fā)出來，并在圖像濾波、特征提取、目標(biāo)識別與跟蹤、通訊算法等方面展示出了非凡的性能與潛力。表1列出的是國外部分粗粒度計算項目，國內(nèi)此項研究尚未見報道。在商業(yè)應(yīng)用中，做得比較好的是PACT極端并行處理公司，其包含64個PE的XPP64A1在主頻200MHz時MAC（乘加）運(yùn)算已經(jīng)達(dá)到了12.8GigaMACs/秒。
從表1可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有粗粒度可重配置計算都有其相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，沒有形成一個統(tǒng)一固定的模式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組織方式、粒度大小及編譯環(huán)境各不相同。開發(fā)高效通用的粗粒度計算結(jié)構(gòu)仍有一定的難度，這也是可配置計算結(jié)構(gòu)的重要研究方向。

3 未來的發(fā)展

粗粒度可配置計算將軟件的靈活與硬件的高效、低功耗結(jié)合在一起，利用硬件來實現(xiàn)軟件算法。雖然靈活性上要比DSP和計算機(jī)差一些，但計算效率和處理能力上卻有很大的提高。是數(shù)字信號處理領(lǐng)域目前各類器件性能的簡單比較。

此結(jié)構(gòu)芯片非常適合圖像數(shù)據(jù)處理，同時另一應(yīng)用方面——軟件無線電的硬件平臺，也正促進(jìn)其發(fā)展。

現(xiàn)在，軟件無線電的研究在我國正不斷深入。其目標(biāo)之一是將不同制式、不同頻段的信號利用單一器件進(jìn)行接收和發(fā)送，并且越早地將射頻信號變?yōu)閿?shù)字信號進(jìn)行處理越好。這一方面促進(jìn)了智能天線和軟件接口協(xié)議的研究，另一方面也要求有高速低功耗、功能可變的硬件相配合?，F(xiàn)階段國內(nèi)應(yīng)用的硬件主要是DSP和計算機(jī)，它們在功耗和速度方面都不及粗粒度可配置計算。粗粒度可配置計算結(jié)構(gòu)，通過處理單元的配置、數(shù)據(jù)路徑的配置，使數(shù)據(jù)在流動中完成運(yùn)算。在接近ASIC（專用集成電路）性能的同時，又具有一定的靈活性。應(yīng)用可配置計算系統(tǒng)，既可以更早地將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號進(jìn)行處理，利于系統(tǒng)性能的提高，又可以進(jìn)一步將其包裝為IP（知識產(chǎn)權(quán)）核，與目前微電子正在興起的系統(tǒng)集成技術(shù)（SOC）相結(jié)合，形成單一系統(tǒng)芯片，適應(yīng)并促進(jìn)我國無線通訊設(shè)備的改進(jìn)，如所示。
這是新的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)計算機(jī)的馮·諾曼瓶頸，結(jié)構(gòu)中固有的并行處理能力，使其具有非常好的性能。微電子技術(shù)的發(fā)展、芯片集成度的提高，為此結(jié)構(gòu)計算機(jī)的實現(xiàn)提供了可能。因此研究這種計算機(jī)結(jié)構(gòu)，對計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展是有價值的。