研究主題一:低功率可靠系統之電子設計自動化(Electronic Design Automation for low power and reliable system) (2015年進行中計畫)
例如,下圖中的CPU有16個核心,但是每個核心的功耗、漏電流及溫度皆不相同,因此每
一個核心的速度及可靠度都不相同。因此這個計畫的主要目標是考量每一個核心的情形,設計能改善系統功率及可靠度之架構及演算法,降低功耗及提高整個系統的可靠度。
![]() 我們須要藉由電腦之計算能力,提供快速而準確的方法以設計低功率可靠之系統。
另一個重要的研究議題是3D IC的設計及最佳化。由於3D IC 透過垂直的Through Silicon Via進行溝通,可減少wire delay,也由於3D IC 在單一晶片中整合不同元件,因此能做到異質整合。然而將許多的die封裝在同一個晶片中,會產生功率、溫度過高,可靠度過低的問題,因此如何減少功率、溫度,提高可靠度,也是本研究室的研究議題。
隨著資訊科技的進步,各種運算設備如x86 CPU, ARM CPU, MIPS CPU, NVIDIA GPU 等種類愈來愈多,也愈來愈普及。然而,各種運算設備皆有自己的指令集、運算架構、記憶體架構、API等,要針對各種計算設備撰寫其軟體相當複雜,因此許多支援各種運算設備的異質運算系統被提出。其中,由Khronons Group提出的異質系統編寫架構:OpenCL(Open Computing Language)是重要之開放標準。只要依照OpenCL的框架編寫程式,就能在不同的硬體平台上順利執行,無須擔心硬體架構差異的問題。
此外,OpenCL強大的地方在於提供平行計算的機制,也就是可基於任務或資料進行分割,將程式分成多個部分,分派給各個核心並同時平行計算,達到高效能的運算能力。這是目前Heterogeneous Computing的開發主流,也是我們目前主要的研究。
本研究主題主要是建立整個運算平台,我們目標開發一套符合OpenCL框架的系統技術發展平台,在該平台上發展各種不同的運算核心,其中包含ARM multi-core、OpenRISC multi-core 以及GPGPU,並開發相關驅動程式及其runtime系統,以實現整體平台之運作。目前已經成功結合OpenRISC與OpenCL並實現在FPGA上,將來我們會利用OpenCL在此平台上做一些實際應用,發展如超解析度影像編解碼等等平行化的應用程式。
下圖為本實驗室OpenRISC + OpenCL系統平台之架構。最上層的OpenCL Application 層可執行各種應用程式,透過OpenCL Application Programming Interface (OpenCL API) 和下面的OpenCL Runtime溝通,OpenCL Runtime 部分負責的部分主要是將OpenCL Application層傳送下來程式碼(Source Code)編釋,同時有資源管理者(Resource Manager)及工作排程(Task Scheduler),透過Device Driver將工作傳送到下層各種不同的運算設備(CPU及CPU)。
目前Heterogeneous computing ,已是國內外重要的研究議題。國外相關研究相當多如Berkeley 的Aspire 計畫(如下圖),也是分別在Applications 到circuits &systems不同領域中實現Heterogeneous Computing (https://aspire.eecs.berkeley.edu/)
另外 UCLA 的Domain Specific and Accelerator-rich Computing,也是Heterogeneous computing 的重要相關計畫 http://www.cdsc.ucla.edu/research/ 研究主題三:低功率高效能先進記憶體系統設計(2015年進行中計畫):
在計算機組織課程中,大家都學習過Memory Hierarchy(如下圖)。就是愈靠近CPU 的Memory 存取速度愈快,但單位容量價格則愈高。
然而在製程進步下,漏電的Leakage的問題愈來愈嚴重。由於在晶片中,晶片上的記憶體,如L1 Cache, L2 Cache 或是Scratch Pad Memory 等佔了相當大的空間,它們功耗佔了整個系統的40%~60%,因此如何降低它們功耗是一重要課題。在這研究中,我們將設計低功耗高效能之先進記憶體系統,同時由於非揮發性記憶體 Non-Voltage Memory (NVM) 如NAND Flash, NOR Flash 價格愈來愈便宜,可靠度也愈來愈高,而先進非揮發性記憶體Emerging Non-Voltage Memory (NVM) 如 Spin-Transfer-Torque RAM (STT-RAM),PCRAM (Phase-Chase Memory) 愈來愈成熟。和傳統SRAM相比,非揮發性記憶體具有Leakage Power較低,單位面積上可容納的電晶體數目較多等優點,而且讀取速度遠快於DRAM,但它的缺點主要是寫入速度較慢,且可寫入的次數較少,可靠度較低。
因為如何善用非揮發性記憶體,以提高系統整體效能,降低系統功耗是一重要課題。如下圖,在本計畫中,我們研究如何整合非揮發性記憶體在記憶體架構,以改善整體系統效能。
下圖中列出我們在2013 提出之多核心系統下的High-Endurance Hybrid Cache 的設計,主要提出了一個Hybrid Local Bank的概念,並結合Cache Partitioning and Access-Aware Policies (下左圖無Hybrid Local Bank, 下右圖有Hybrid local bank),可將使用在Last Level Cache的NVM的壽命延長89倍。此研究成果已被ACM Great Lake Symposium on VLSI (GLSVLSI)所接受,在2013年5月發表,
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