Разработка и исследование методов автоматизации проектирования предметно-ориентированных потоковых вычислителей на базе ПЛИС

В последнее время наметилась тенденция к специализации вычислительных систем: появляются предметно-ориентированные интегральные схемы и гетерогенные компьютерные системы, включающие (помимо центральных и графических процессоров) узконаправленные аппаратные ускорители. Из-за невысокой серийности специализированных вычислителей традиционный маршрут проектирования и производства оказывается нерентабельным. Выходом видится более глубокая автоматизация процесса проектирования, а также использование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). В основе автоматизации лежит синтез модели уровня регистровых передач по высокоуровневому (поведенческому) описанию реализуемого алгоритма. Существует множество инструментов высокоуровневого синтеза, различающихся входными нотациями и используемыми методами планирования вычислений. Наибольшую эффективность (для достаточно широкого класса задач) демонстрируют инструменты, базирующиеся на языках программирования потоков данных (в том числе на функциональных языках программирования): 1. получаемые вычислители имеют на порядки большую производительность, чем решения на базе универсальных процессоров; 2. производительность синтезируемых вычислителей соизмерима с производительностью вычислителей, разработанных традиционным способом; 3. процесс разработки близок к обычному программированию и не требует специальных знаний в области цифровой схемотехники. Примерами инструментов, основанных на потоковой парадигме, являются MaxCompiler (компания Maxeler) и XLS (открытый проект). Несмотря на эффективность, эти инструменты обладают рядом недостатков, ограничивающих их применимость: 1. в них отсутствуют средства настройки на разные ПЛИС (MaxCompiler поддерживает фиксированный набор устройств, а XLS не учитывает характеристики аппаратуры); 2. в них нет механизмов адаптации к разным предметным областям (в частности, нет возможности подключать внешние библиотеки функциональных элементов); 3. в них не реализованы средства оптимизации, связанные с отображением операций на библиотечные элементы и выбором параметров этих элементов; 4. в них нет встроенных средств верификации (которые необходимы для проектирования систем ответственного назначения). В рамках проекта будут разработаны следующие методы, позволяющие устранить указанные недостатки: 1. метод описания (спецификации) и промежуточного представления предметно-ориентированных потоковых вычислителей; 2. метод адаптации средств высокоуровневого синтеза потоковых вычислителей к разным предметным областям за счет использования специализированных языков и библиотек; 3. метод планирования вычислений (оптимизации пространственно-временной структуры вычислителя) с учетом пользовательских ограничений и конфигурации целевой ПЛИС; 4. метод функциональной верификации потоковых вычислителей. Вместе эти методы образуют единую методологию построения конфигурируемых платформ высокоуровневого синтеза предметно-ориентированных потоковых вычислителей. Методология в целом и каждый метод в отдельности обладают научной новизной. Результаты проекта могут быть использованы для создания гибкой системы автоматизированного проектирования (САПР), ориентированной на создание высокопроизводительных вычислителей (ускорителей) для разных предметных областей. Такая САПР особенно актуальна в контексте импортозамещения электронных компонентов и средств проектирования аппаратуры.