[发明专利]一种基于DSP和FPGA多协处理卡的桌面超算硬件平台

说明书

本发明提出一种基于DSP和FPGA多协处理卡的桌面超算硬件平台，该硬件平台由计算机机箱搭载多个协处理卡构成，协处理卡上包含多DSP处理器和多FPGA芯片，协处理卡通过计算机主板的PCIE总线插槽进行扩展，构建一个高可用、低功耗、小体积的桌面超级计算机硬件平台。本发明采用CPU和DSP‑FPGA协同计算加速架构，协处理卡上可以根据任务需求对DSP和FPGA芯片的数量进行定制，使得单卡至少可以提供1万亿次每秒的计算性能。机箱最大支持8个协处理卡同时扩展，超过此限度之后协处理卡还能够通过FMC子板进一步扩展，整机所提供的计算能力能够达到数十万亿次每秒；另外协处理卡采用标准PCIE接口和FMC接口，计算架构采用开放度高的DSP和FPGA，同时采用通用型CPU，用户可以根据任务需求自行开发应用程序。

技术领域

本发明涉及桌面超级计算机硬件平台技术领域，具体涉及一种基于DSP和FPGA多协处理卡的桌面超算硬件平台。

背景技术

近年来，桌面超级计算机在生命科学、工程科学、国防科技、医疗、金融等高性能计算领域有着广阔的应用前景，然而大数据背景下数据量呈指数性增加，任务计算复杂度日益提高的现状对桌面超级计算机提出了更高的要求。

目前，较为普遍的桌面超算架构是CPU-GPU协同计算加速架构，以CPU和GPU双计算核心实现协同计算加速，CPU负责逻辑选择、判断跳转和IO通信计算，GPU负责计算密集型、高度并行的计算任务。该方法存在一定的局限性：1)计算能力有限，可扩展性差，该架构应用在桌面超算级别的峰值计算能力一般为4万亿次每秒，且其无论在单处理节点上对GPU芯片进行扩展还是扩展GPU卡处理节点都比较困难；2)开放性差，基于GPU的桌面超算一般在CUDA(Compute Unified Device Architecture,统一计算设备架构)架构下进行开发，而CUDA架构并不开放底层驱动接口，导致其只能使用NVIDIA的GPU芯片作为加速计算卡；3)功耗大，峰值计算能力在1万亿次每秒以上的GPU芯片的功耗一般为200W以上，大功耗不仅增加了成本，而且带来了散热压力和降噪压力，同时使得GPU芯片不能高密度安装，限制了可扩展性。

目前，DSP-FPGA协同计算加速架构在信号采集、数据处理、加速计算等领域表现出特有的优势，高性能DSP的主频可以达到1GHz以上，且内部集成硬件乘法器，寻址方式灵活，非常适合循环、递归、逻辑等复杂运算任务。FPGA内部嵌入了大量可配置逻辑块、块RAM、乘法器等硬件资源，而且有丰富的布线资源，其并行计算和IO可编程的特点使其具有强大的硬件加速能力和接口扩展能力，非常适合执行大数据量、高吞吐量的并行计算任务。

综上所述，采用CPU和DSP-FPGA协同计算加速架构作为桌面超算的异构架构，DSP-FPGA协同计算加速架构加上数据交换接口和大容量存储器组成协处理卡，多个协处理卡通过计算机主板进行扩展从而组成桌面超级计算机。CPU主要用于系统任务调度、数据流控制和各协处理卡的参数控制，DSP负责执行循环、递归、逻辑等复杂运算和浮点运算，FPGA负责执行大数据量、高吞吐量的并行计算任务和定点运算。基于CPU和DSP-FPGA协同计算加速架构的桌面超级计算机不仅保证了桌面级超算万亿次每秒的计算能力，而且可扩展性强、功耗低、体积小，在高性能计算领域有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术中的不足，提供一种基于DSP和FPGA多协处理卡的桌面超算硬件平台。该硬件平台由计算机机箱搭载多个协处理卡构成，协处理卡上包含多DSP处理器和多FPGA芯片，协处理卡通过计算机主板的PCIE总线插槽进行扩展，构建一个高可用、低功耗、小体积的桌面超级计算机硬件平台。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

所述一种基于DSP和FPGA多协处理卡的桌面超算硬件平台，其特征在于：包括计算机机箱和若干个协处理卡；所述协处理卡包括复杂算法运算模块、算法加速计算模块、PCIESWITCH接口模块、数据交换接口模块、FMC接口模块和电源监控模块；