2014 Fiscal Year Annual Research Report
組み込みＨＰＣ向けカスタムアクセラレータ統合型ヘテロジニアス計算基盤技術の開拓
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24300013
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
張山 昌論 東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (10292260)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 高性能計算 / FPGA / リコンフギャラブルコンピューティング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. DNA解析アクセラレータの高性能化: 前年度までに基本的な実装を終了している，DNAの塩基配列マッピングアクセラレータアーキテクチャの高速化を行った．PCIエクスプレスバスを使用して、ホストPCからFPGAアクセラレータボードにデータを高速化転送するドライバ開発を行った. また，DNA文字列探索の性質に着目した探索空間の削減手法を提案し，PC（6コア）での処理と比較して20倍程度の高速化を達成した.
2. データ圧縮に基づく文字列処理アクセラレータの開発: DNA解析で用いた文字列検索アルゴリズム(BWAアルゴリズム)を、一般的な文字列処理に拡張するために，外部メモリとのバンド幅を有効活用するためのデータ圧縮に着眼したアーキテクチャを検討した．圧縮方法としては，通常のデータ圧縮方法とは異なり，伸張が極めて簡単なハードウェアで行えることが望ましいという観点から，BPE(Byte Pair Encoding)を拡張したWord-Pair Encodingに基づくデータ転送アーキテクチャを開発した．
3. 大規模グラフ処理向けアクセラレータの開発: ビッグデータ処理応用の重要な応用の一つである、大規模グラフ処理に対する最短経路問題のためのアクセラレータを開発した．SIMDアーキテクチャの並列性に基づき、FPGAチップ内に記憶すべき必要最小限のデータを効率よく検出するアーキテクチャを考案した．
4. OpenCLベースのFPGAアクセラレータ設計: 電磁解解析のためのFDTDアクセラレータの開発: FPGAアクセラレータの開発を効率よく短期間で可能とするために，C言語ライクな開発環境であるOpenCL言語を用いた設計手法を検討し、それに基づき2次元電磁解解析のためのアクセラレータを開発した．GPU用のOpenCLコードを基にFPGA向けのチューニング(パイプラインなど)を検討した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
交付申請時に計画した、最適設計手法の確立に関してやや遅れ気味である．
これはFPGAアクセラレータの実装に時間がかかったためである．特に、ホストPCからデータを転送するためのドライバソフトウェア開発、FPGAと外部DDRメモリの高速転送回路の実装である．
これらに関しては、本年度でノウハウを確立できたため、次年度は時間をとられることはないと考えている．
一方、種々の専用アクセラレータ開発に関しては、DNA解析アクセラレータのみならず、
電磁解解析アクセラレータなどの開発にも着手し、予定以上に進んだ．
さらに、申請時には予定していなかった、新しい研究発展(DNA解析アクセラレータの一般文字列処理への拡張など)もあり、これは、応用例を広げる観点でプラスの効果であった．
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| Strategy for Future Research Activity |
FPGAアクセラレータの最適構成理論の確立を効率よく行うため、1) HDL(ハートウェア記述言語)を用いた設計手法と、2) OpenCLなどの比較的行為の設計環境を利用した場合にわけて進める. まず，2）の場合について，2）の設計環境がHDL設計と同等程度の性能を達成できるアプリケーションのクラスを明らかにし，そのようなアプリケーションにおいて，メタレベルでの最適化理論を開拓する.
1）でなくては効率化ができないアプリケーションにたいしては，そのクラスに特化した最適理論を構築する. このように，2）を適切に活用し，1）の最適化対象を絞り込むことにより，種々のアプリケーションに対する最適化理論の開拓を効率化できることが期待される.
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| Causes of Carryover |
計画の遅れに伴い、FPGAアーキテクチャの最適化を行うためのソフトウェアの購入が遅れたため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度の計画で購入予定である．
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