我們正在迅速接近百萬(wàn)兆次級(jí)時(shí)代，幾乎沒(méi)有工具和基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)幫助我們構(gòu)建面向未來(lái)的軟件/硬件共同設(shè)計(jì)的生態(tài)系統(tǒng)。我們不能再等待新的硬件來(lái)開(kāi)發(fā)軟件。同樣，為了滿足這些百萬(wàn)兆次級(jí)及以上系統(tǒng)的性能和功耗目標(biāo)，我們必須以共同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的形式利用專業(yè)化，這意味著硬件和軟件必須一起設(shè)計(jì)，而不是孤立地設(shè)計(jì)。

專業(yè)化還將開(kāi)源生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展到具有開(kāi)放ISA的硬件中，如RISC-V，它定義了軟件級(jí)別互操作性的基本標(biāo)準(zhǔn)，而且還具有專業(yè)化架構(gòu)以包括新的應(yīng)用程序功能和硬件支持的靈活性。這項(xiàng)新功能正在開(kāi)創(chuàng)一個(gè)令人興奮的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、全棧研發(fā)（包括構(gòu)建專用硬件）的新時(shí)代。MareNostrum 百萬(wàn)兆次級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) （MEEP） 是第一步，它支持一個(gè)靈活的硬件平臺(tái)，我們可以使用該平臺(tái)映射或模擬各種不同的架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，包括硬件和軟件。

BSC 正在構(gòu)建各種軟件和硬件組件，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)源軟件和硬件 HPC 生態(tài)系統(tǒng)。我們正在構(gòu)建開(kāi)源軟件的豐富歷史，并將其擴(kuò)展到基于RISC-V指令集架構(gòu)（ISA）的開(kāi)源硬件。MEEP支持使用FPGA快速評(píng)估硬件架構(gòu)。這是通往開(kāi)放式 HPC 生態(tài)系統(tǒng)（包括硬件和軟件）的眾多步驟之一。此外，MEEP也是一種軟件開(kāi)發(fā)工具，與軟件模擬不同，它允許我們以合理的速度運(yùn)行整個(gè)軟件堆棧以進(jìn)行交互式開(kāi)發(fā)。MEEP是我們的數(shù)字實(shí)驗(yàn)室，用于設(shè)計(jì)，測(cè)試和評(píng)估未來(lái)的百萬(wàn)兆次級(jí)加速器和系統(tǒng)，真正的軟件/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。

與軟件不同，硬件開(kāi)發(fā)成本非常昂貴，錯(cuò)誤成本也非常昂貴，尤其是在芯片制造方面。MEEP提供了一種以靈活性換取性能的機(jī)制。我們正在使用 FPGA 構(gòu)建 MEEP，F(xiàn)PGA 是一種靈活的硬件組件或結(jié)構(gòu)，可以一遍又一遍地重新編程。它允許我們像對(duì)待軟件一樣對(duì)待硬件，具有與軟件相同的靈活性，我們可以重新編譯硬件描述語(yǔ)言以創(chuàng)建新的硬件設(shè)計(jì)以映射到FPGA結(jié)構(gòu)上。MEEP基礎(chǔ)設(shè)施軟件和FPGA使硬件仿真更像傳統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。此外，MEEP可以用于的不僅僅是一個(gè)仿真項(xiàng)目，即MEEP的第一個(gè)演示器，一個(gè)百萬(wàn)兆次級(jí)加速器。MEEP可以模擬其他加速器設(shè)計(jì)以及CPU。我們還可以使用相同的 FPGA 基礎(chǔ)設(shè)施支持基于 FPGA 的加速器。

構(gòu)建百萬(wàn)兆次級(jí)加速器仿真器

MEEP結(jié)合了三個(gè)主要組件：軟件，架構(gòu)和RTL，以及硬件組件，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)仿真平臺(tái)。第一個(gè)部署將是用于HPC和高性能數(shù)據(jù)分析（HPDA）應(yīng)用程序的百萬(wàn)兆次級(jí)加速器。因此，我們收集了 HPC、AI、ML 和 DL 應(yīng)用程序，以實(shí)現(xiàn)加速。

基于此基準(zhǔn)測(cè)試套件，我們分析應(yīng)用程序并定義針對(duì)這些應(yīng)用程序優(yōu)化的架構(gòu)。使用定義的架構(gòu)，我們可以編寫(xiě) RTL，即描述硬件的代碼。在真正的協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)踐中，我們可以靈活地在堆棧中的任何級(jí)別、軟件堆棧和硬件的任何層進(jìn)行更改。這是一種新的靈活性水平，可以為問(wèn)題提供最佳的整體解決方案，而不是局限于僅軟件更改和/或僅仿真驗(yàn)證。

最后，我們將軟件和架構(gòu)以及 RTL 結(jié)合起來(lái)，并將其映射到模擬器上。這是一個(gè)由大約 100 個(gè) CPU 和 FPGA 組成的系統(tǒng)。這種規(guī)?？蓪?shí)現(xiàn)超出正常單芯片評(píng)估的更大規(guī)模系統(tǒng)研究。CPU 和 FPGA 的組合為將邏輯仿真器映射到物理資源提供了額外的靈活性。我們可以使用百萬(wàn)兆次級(jí)加速器或我們映射到 MEEP 的任何其他系統(tǒng)的邏輯定義來(lái)模糊物理硬件的界限。此外，我們正在使用傳統(tǒng)的加速器架構(gòu)，可以在初始項(xiàng)目之外進(jìn)行大規(guī)模研究。FPGA 是提供這種靈活性的基本構(gòu)建模塊。我們基本上以兩種不同的方式部署FPGA：FPGA Shell和FPGA仿真器。我們將 FPGA 外殼 定義為 FPGA 內(nèi)存 和 I/O 接口。FPGA 外殼包含所有 FPGA 設(shè)計(jì)中的所有通用基礎(chǔ)設(shè)施。FPGA 結(jié)構(gòu)其余部分剩余的 FPGA 資源可用于仿真和/或加速器設(shè)計(jì)。

HPC 應(yīng)用程序，包括新興的 AI、ML 和 DL 工作負(fù)載。MEEP將使我們能夠展望未來(lái)，并在新硬件可用之前展示事物如何工作。這種硅前驗(yàn)證將通過(guò)提高 RTL 的質(zhì)量并消除錯(cuò)誤來(lái)節(jié)省大量資金。

MEEP提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，可以實(shí)現(xiàn)新硬件及其相關(guān)硬件的系統(tǒng)級(jí)軟件開(kāi)發(fā)。我們正在構(gòu)建一個(gè)緊密耦合的加速器，該加速器超越了傳統(tǒng)的 HPC 應(yīng)用程序，包括新興的 AI、ML 和 DL 工作負(fù)載。MEEP將使我們能夠展望未來(lái)，并在新硬件可用之前展示事物如何工作。這種硅前驗(yàn)證將通過(guò)提高 RTL 的質(zhì)量并消除錯(cuò)誤來(lái)節(jié)省大量資金。MEEP還將支持新系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)新硬件和軟件的并行開(kāi)發(fā)。這對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)尤其重要，否則必須等待新硬件可用。在這兩種情況下，我們都可以通過(guò)并行化硬件和軟件開(kāi)發(fā)來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，并通過(guò)在更大的規(guī)模上運(yùn)行系統(tǒng)來(lái)提高整體軟件和硬件質(zhì)量。

審核編輯：郭婷