[发明专利]一种基于大规模FPGA芯片的计算加速系统及其加速方法

说明书

技术领域

本发明属于计算加速技术领域，尤其涉及一种基于大规模FPGA芯片的计算加速系统及其加速方法。

背景技术

当前在基因工程、天气预报、石油勘探、地震研究等领域的运算量日益增大。可以预见，未来这些领域的计算需求将会越来越大，这就对计算加速提出了更高的要求。目前的计算加速方法主要分为三种：集群计算加速、基于GPU的并行计算加速和基于FPGA的可重构计算加速。

集群计算（Cluster Computing）

集群是由一些互相连接在一起的计算机构成的一个并行或分布式系统。服务器集群系统通俗地讲就是把多台服务器通过快速通信链路连接起来，从外部看来，这些服务器就像一台服务器在工作，而对内来说，外面来的负载通过一定的机制动态地分配到这些节点机中去，从而达到超级服务器才有的高性能、高可用。集群技术是一种相对较新的技术，通过集群技术，可以在付出较低成本的情况下获得在性能、可靠性、灵活性方面的相对较高的收益。目前，在世界各地正在运行的超级计算机中，有许多都是采用集群技术来实现的。

GPU（Graphics Processing Unit），即图形处理器，是一种专门进行图像运算工作的微处理器。如今GPU 作为协处理器的一种已成为当代计算加速系统的重要组成部分之一，是目前计算加速的主要方法。自 1999 年NVIDIA 将世界上第一个 GPU 推向市场以来，GPU 得到迅速发展，短短十年内其功能已从单一的图形显示发展到高速并行计算（GPGPU，General Purpose GPU，即通用计算GPU）。由 CPU+GPU 组成的异构计算模式，由于其优异的性能功耗比，已被广泛部署于物理学仿真、分子动力学、地震模拟等工程领域。

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是由通过可编程互连连接的可配置逻辑块 (CLB) 矩阵构成的半导体器件。可重构计算（Reconfigurable Computing）技术是指在软件的控制下，利用系统中的可重用资源，根据应用的需要重新构造一个新的计算平台，达到接近专用硬件设计的高性能。

基于FPGA 的可重构计算系统加速是目前在工程计算中得到运用的一种新型方法，适用于大部分的计算密集型和数据密集型的应用，如金融计算、密码学、生命科学、石油勘探、大数据处理等等。它通过硬件优化来实现对特定应用的更好的运行效率，即持续性能能达到更接近峰值运算性能的值，同时与GPU和CPU相比FPGA的能效比更高，是一种新兴的有前景的计算加速方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种新型的FPGA可重构、高密度的基于大规模FPGA芯片的计算加速系统及其加速方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种基于大规模FPGA芯片的计算加速系统，包含服务器及与所述服务器连接的FPGA计算加速卡；

所述服务器，用于发送待计算数据至所述FPGA计算加速卡，以及用于读取所述FPGA计算加速卡加速计算后得到的结果数据；

所述FPGA计算加速卡，用于利用服务器发送的待计算数据进行相应的加速计算，得到所述结果数据。

作为本发明一种基于大规模FPGA芯片的计算加速系统的进一步优选方案，所述服务器包含电源模块、数据分发及回收模块、接口模块、加速模块以及相应的业务分发模块；

其中，电源模块，用于提供服务器所需电能；

数据分发及回收模块，用于分发和回收数据计算结果；

接口模块，用于与FPGA计算加速卡进行数据传输：用于发送待计算数据至所述FPGA计算加速卡，以及将FPGA计算加速卡加速计算后的结果数据传输至服务器；

加速模块以及相应的业务分发模块，用于加速处理数据的分发及回收。

作为本发明一种基于大规模FPGA芯片的计算加速系统的进一步优选方案，所述FPGA计算加速卡包含数据通讯接口、12颗FPGA芯片以及与所述FPGA芯片分别一一对应连接的存储器；

所述数据通讯接口，用于与服务器进行数据传输：用于接收服务器发送的待计算数据，以及将FPGA计算加速卡加速计算后的结果数据传输至服务器；

所述FPGA芯片，用于加速计算服务器发送的待计算数据；

所述存储器，用于存储服务器发送的待计算数据，以及FPGA计算加速卡加速计算后的结果数据。