33、高性能可重构计算机系统：原理、实现与编程

高性能可重构计算机系统：原理、实现与编程

1. 引言

在过去，超级计算机技术主要依据大规模集成原则发展。其性能的提升依赖于微处理器设计和通信系统开发方面的技术成就，但架构和电路设计的优势未得到充分利用。近年来，基于通用计算机节点和通信网络的集群系统得到广泛应用。这类系统价格相对较低，编程方法简单，在解决松耦合问题时能提供较高的实际性能。然而，当处理紧耦合问题时，其实际性能会显著下降。而且，随着集群超级计算机中处理器数量的增加，系统性能也会降低，这是因为问题的信息结构与集群的“硬”架构不匹配。若解决的问题是紧耦合且需要大量数据交换操作，超级计算机的实际性能会下降，负担会急剧增加。

可重构架构的多处理器计算机系统概念在解决集群超级计算机的特定问题上已被证明是成功的。该概念的核心是使可重构计算机系统（RCS）的架构适应待解决问题的信息图结构。运用这一概念的原理，可大幅降低计算负担并提高系统的实际性能。

可重构计算机系统设计的概念已经发展了数十年。20世纪80 - 90年代，创建了几个具有可重构架构的计算机系统原型。但由于缺乏合适的元件基础，可重构计算机系统在很长一段时间内未能广泛应用。可重构计算机系统的元件基础需满足以下要求：
- 能够对大型计算片段进行硬件（结构）实现；
- 可对适合当前问题的各种计算结构进行编程（重构）；
- 能使用计算机辅助设计（CAD）系统、软件开发环境和用于计算结构重构的软件工具；
- 价格合理等。

大规模集成的现场可编程门阵列（FPGA）满足所有这些要求。FPGA内部结构可重构的能力是其显著特点，因此，FPGA是可重构计算机系统设计概念的最佳选择。

目前，FPGA越来越广泛地用作