3次元統合化脳診断支援システムのための3次元データ圧縮・伸張プロセッサ研究開発

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15700040
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 佐野 健太郎 東北大学, 大学院・情報科学研究科, 助手 (00323048)
• Keywords: ベクトル量子化 / コードブックメモリ / シストリックアレイ / 機能メモリ / データ圧縮 / VLSIアーキテクチャ

Research Abstract

平成15年度では、3次元データ圧縮の基本となるベクトル量子化(VQ)のためのコードブック生成アルゴリズムと、このためのアーキテクチャ設計を行った。また、FPGAによる試作に向けてVQプロセッサの論理回路設計に着手した。以下、これらの概要を述べる。
1.アルゴリズム設計
競合学習アルゴリズムの1つであるMMPDCL(最大部分歪低減競合学習)アルゴリズムを基にコードブック生成アルゴリズムの設計を行った。この競合学習における競合とコードブックの並列処理を可能とするために、アルゴリズムに遅延更新を導入した。また、より少ないハードウェア資源による実装を目指して、指数演算を、ビットシフト実装可能な2の乗数により近似する等の変更を行った。ソフトウェアシミュレ一ションにより、修正されたMMPDCLアルゴリズムの生成するコードブックの誤差を評価したところ、元のアルゴリズムと比べて遜色の無い性能が得られることが分かった。
2.アーキテクチャ設計
修正MMPDCLアルゴリズムの並列性を十分に利用すべく、シストリックアレイと機能メモリの概念を組み合わせたシストリックメモリアーキテクチャの設計を行った。このアーキテクチャでは、アレイの各要素がメモリを持つことにより、シストリックアレイにおいてボトルネックとなるデータ入出力の問題を緩和する。また、遅延更新を利用し、アレイによる競合結果を同一のアレイにより並行に処理することにより、高い並列度を実現する。
3.試作
提案するアーキテクチャに基づくVQプロセッサの構成要素である、コードワードセル、部分歪計算ユニット、比較ユニットの論理回路設計を開始した。動作シミュレーション結果から、本プロセッサは、高いスケーラビリティを持ち、現在の汎用プロセッサと比べて数千倍以上の性能向上が見込めることが明らかとなった。

Research Products

• [Publications] Kentaro Sano: "Differential Coding Scheme for Efficient Parallel Image Composition on a PC Cluster System"Elsevier Journal of PARALLEL COMPUTING. 30・2. 285-299 (2004)
• [Publications] Kentaro Sano: "A Systolic Memory Architecture for Fast Codebook Design based on MMPDCL Algorithm"Proceedings of the International Conference on Information Technology (ITCC2004). (発表予定). (2004)
• [Publications] Clecio Donizete Lima: "A Distributed Register File Architecture for Executing Scientific Applications"Journal of Information. (発表予定). (2004)
• [Publications] Jubei Tada: "An Instruction Cache Mechanism for Simultaneous Multithreaded VLIW Processors"International Journal of Asian Information-Science-Life. 2・1(発表予定). (2004)
• [Publications] Clecio Donizete Lima: "Hybrid Parallel Machines"Proceedings of the 2nd International Conference on Information Technology and Applications (ICITA2004). (CD-ROM). (2004)
• [Publications] Shintaro Momose: "Fast Codebook Design for Vector Quantization on Partitioned Space"Proceedings of the 2nd International Conference on Information Technology and Applications (ICITA2004). (CD-ROM). (2004)