粗粒度的時空計算

　　1985年，Xilinx公司推出了全球第一款FPGA產品XC2064^[7] ，現(xiàn)在28nm工藝的FPGA陣列芯片已經作為應用平臺^[8] ，實現(xiàn)了操作粗粒度的時空計算。但算法是通過硬件描述語言的邏輯設計映射到陣列芯片上的，沒有與TLP/DLP計算模式的軟件設計語言統(tǒng)一起來，抽象層次低，靈活性差，限制了OLP計算模式的應用。

　　陣列語言

　　支持粗粒度時空計算的陣列語言，是能在標量語言(例如，C語言和MATLAB語言)的基礎上統(tǒng)一設計的。

　　首先，陣列數(shù)據(jù)及其特例(標量數(shù)據(jù)和向量數(shù)據(jù))在MATLAB語言中已有明確的表示^[9] 。陣列數(shù)據(jù)就是C語言中的Data Array(數(shù)據(jù)陣列/數(shù)組)，是用來表示同一類型的標量數(shù)據(jù)的集合的。因此，陣列語言的數(shù)據(jù)表示和類型，可以與C語言的相同而統(tǒng)一的。在陣列語言中，陣列數(shù)據(jù)采用了與MATLAB或C語言類似的順序描述方法。

　　二是陣列數(shù)據(jù)的計算，與數(shù)學語言的矩陣加減法計算一樣，是對其標量數(shù)據(jù)元素進行的。計算的操作類型及其表示符號均可以與C語言中的相同而統(tǒng)一的，只需要補充支持實現(xiàn)幾何變換的播送(broadcast)等3個操作及其操作符?！　?/p>

 

　　三是由于控制語句是時間一維的，陣列語言的控制語句是可以與標量語言(例如C語言)的控制語句相同而統(tǒng)一的。而計算語句則應由標量語句上升到由不同標量語句元素(statement elements)組成的陣列語句。標量語句元素的設計是可以與C語言的標量語句的設計相同而統(tǒng)一的。陣列語句的描述可以像C語言的Data Array那樣，采用先行后列，并從第一行開始順序描述的程序設計方法。使陣列語言統(tǒng)一了標量語言，繼承順序程序設計的特點，建立了陣列語言的程序設計的確定性。

　　陣列計算機

　　最近，人們分析發(fā)現(xiàn)，自1985年以來，計算機體系結構革新與芯片技術進步對計算機性能的貢獻是相當?shù)?sup>[10] ?，F(xiàn)在的芯片制造技術，已經可以研制粗粒度計算的二維的陣列處理器(Array Processor)和三維(時間1維+空間2維)的陣列存儲器(Array Memory)。例如，Intel公司80個處理元的TeraScale Processor計劃的系統(tǒng)芯片^[11] 。支持粗粒度時空計算的陣列計算機，可以是由指令存儲器、陣列處理器和陣列存儲器組成的。其實，馮.諾依曼體系結構的Flynn分類，以單指令流多數(shù)據(jù)流的SIMD(Single Instruction Multiple Data)體系結構，可以在陣列處理器上實現(xiàn)DLP計算模式的數(shù)據(jù)粗粒度的計算。以多指令流單數(shù)據(jù)流的MISD(Multiple Instruction Single Data)和多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD(Multiple Instruction Multiple Data)體系結構，可以設計相應的陣列指令(array instruction)，在陣列處理器上實現(xiàn)OLP計算模式的操作粗粒度的計算。

　　陣列語言中順序描述的陣列數(shù)據(jù)和陣列語句的陣列表示，是通過存儲到陣列存儲器中而自動完成的。存放在陣列存儲器中的陣列數(shù)據(jù)和陣列指令，是分別由指令存儲器中的操作指令和調用指令控制讀出，在陣列處理器上執(zhí)行的。從時間上來看，操作指令/調用指令是一條接一條地順序執(zhí)行的;從空間上來看，陣列存儲器中的陣列數(shù)據(jù)/陣列指令都是在單指令的控制下，有效地完成數(shù)據(jù)/操作粗粒度的時空計算。與標量計算機類似，陣列計算機的ISA也是作為更高抽象層次的接口，使陣列語言的程序設計不必了解ISA的實現(xiàn)細節(jié)，能從算法解決問題的方式中直覺地產生出來。成為一種確定而可預測的過程，可促進粗粒度時空計算的軟件繁榮。

　　結束語

　　不斷提高計算機的能力是支持數(shù)學上的infinite的技術途徑之一?，F(xiàn)在已有由十幾萬芯片組成的千萬億次超級計算機，但其功耗就已達到2MW左右，使機房面積比龐然大物的電子管計算機的機房面積還大10倍，約700平米。有專家認為，2017年可能實現(xiàn)的Eflops超級計算機的核心處理器的數(shù)量大概在1000萬到1億個之間，這就遭遇到了能源使用問題。

　　計算機的功耗是由芯片的功耗和芯片之間互連線的功耗組成的。為了實現(xiàn)航空航天圖像處理計算機的小型化，早在1987年，休斯公司就開發(fā)了圓片級的硅直通技術(TSV， Through Silicon Via)?，F(xiàn)在，IBM公司針對超級計算機的能源使用問題，也研發(fā)了TSV技術，使芯片之間的距離只有幾微米，縮短了1000倍。甚至有人預測2023年到2062年之間，新型芯片和納米技術將使超級計算機的體積縮小到一塊方糖那么大，再沒有各種電纜，也不需要散熱^[12] 。而粗粒度的陣列計算機的規(guī)則性是適合于TSV技術的。

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