高効率な並列計算を実現するコロニー型メニーコアアーキテクチャ

• 研究課題/領域番号: 17H01707
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 計算機システム
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 山口 佳樹 筑波大学, システム情報系, 准教授 (30373377)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円); 2019年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2018年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2017年度: 8,450千円 (直接経費: 6,500千円、間接経費: 1,950千円)
• キーワード: FPGA / SIMD / メニーコア / マルチFPGA / 情報基盤 / 密結合アーキテクチャ / 高速計算 / 計算機システム / ディペンダブル・コンピューティング / ハイパフォーマンス・コンピューティング / リコンフィギャラブルシステム / リコンフィギャラブルアーキテクチャ

研究成果の概要

設計容易性，演算速度，消費電力対性能，可変性等を備えたメニーコアアーキテクチャとして，FPGAの書き換え可能性を積極的に利用した，コロニー型アーキテクチャの提案とその実装に関する研究を行った．まず，設計容易性という観点から，SIMD命令を基本とした演算部（PE）の並列実装に取り組んだ．次に，演算速度，電力対性能の観点から，PE部に独自の演算命令（ISA）を提案し，それを最大256基実装した．これにより，FPGAの書き換え機能を用い，アプリケーションに適した回路構成を取ることを可能にした．また，既存アーキテクチャ（RISC-V）を基にした提案も行ない，何れにおいても十分な性能を得ることができた．

研究成果の学術的意義や社会的意義

半導体集積度の向上に期待したプロセッサの性能向上，特にプロセッサコア数の増加による性能向上，は難しいものとなりつつある．一方，ビッグデータや機械学習など扱うデータ量は指数関数的に増大している．そこで，プロセッサコア数およびプロセッサ数を増やすことで得られる従来の高速化の方向に加え，そこで利用される複数の演算コアを動的かつ柔軟に変更する提案を導入することで，飛躍的な性能向上を期待できる可能であることを示した．

研究成果

• [雑誌論文] A Block-Based Systolic Array on an HBM2 FPGA for DNA Sequence Alignment (2020)
  • 著者名/発表者名: Ben Abdelhamid Riadh and Yamaguchi Yoshiki
  • 雑誌名: Applied Reconfigurable Computing 巻: LNCS12083 ページ: 298-313
  • DOI: 10.1007/978-3-030-44534-8_23
  • ISBN: 9783030445331, 9783030445348
  • 査読あり
• [雑誌論文] FPGA-Based Computational Fluid Dynamics Simulation Architecture via High-Level Synthesis Design Method (2020)
  • 著者名/発表者名: Du Changdao, Firmansyah Iman, and Yamaguchi Yoshiki
  • 雑誌名: Applied Reconfigurable Computing 巻: LNCS12083 ページ: 232-246
  • DOI: 10.1007/978-3-030-44534-8_18
  • ISBN: 9783030445331, 9783030445348
  • 査読あり
• [雑誌論文] Condensing an overload of parallel computing ingredients into a single architecture recipe (2020)
  • 著者名/発表者名: Ben Abdelhamid Riadh, Yamaguchi Yoshiki, and Boku Taisuke
  • 雑誌名: Application-specific Systems, Architectures and Processors 巻: ASAP2020 ページ: 1-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Performance Computation of LGCA Fluid Dynamics on an FPGA-Based Platform (2020)
  • 著者名/発表者名: Du Changdao, Firmansyah Iman, and Yamaguchi Yoshiki
  • 雑誌名: International Conference on Computer and Communication Systems 巻: ICCCS2020 ページ: 520-525
  • DOI: 10.1109/icccs49078.2020.9118557
  • 査読あり
• [雑誌論文] A tightly-connected RISC-V manycore processor in a SIMD manner (2020)
  • 著者名/発表者名: Tan Yuxi, Riadh Ben Abdelhamid, and Yoshiki Yamaguchi
  • 雑誌名: IEICE Technical Report 巻: Vol.120, No.36 ページ: 91-96
• [雑誌論文] OpenCL Implementation of FPGA-based Signal Generation and Measurement (2019)
  • 著者名/発表者名: Iman Firmansyah, Yoshiki Yamaguchi
  • 雑誌名: IEEE Access 巻: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1109/access.2019.2910391
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] FPGA-based SPARQL query acceleration (2019)
  • 著者名/発表者名: Niki Mirai, Yamaguchi Yoshiki, and Amagasa Toshiyuki
  • 雑誌名: Asia Pacific Conference on Robot IoT System Development and Platform 巻: APRIS2019
  • 査読あり
• [雑誌論文] MITRACA: A Next-Gen Heterogeneous Architecture (2019)
  • 著者名/発表者名: Ben Abdelhamid Riadh, Yamaguchi Yoshiki, and Boku Taisuke
  • 雑誌名: Embedded Multicore/Many-core Systems-on-Chip 巻: MCSoC2019 ページ: 304-311
  • DOI: 10.1109/mcsoc.2019.00050
  • 査読あり
• [雑誌論文] MITRACA: Manycore Interlinked Torus Reconfigurable Accelerator Architecture (2019)
  • 著者名/発表者名: Ben Abdelhamid Riadh, Yamaguchi Yoshiki, and Boku Taisuke
  • 雑誌名: Application-specific Systems, Architectures and Processors 巻: ASAP2019 ページ: 38-38
  • DOI: 10.1109/asap.2019.00-35
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2D Stencil Computation on Cyclone V SoC FPGA using OpenCL (2018)
  • 著者名/発表者名: Iman Firmansyah, Yusuf Nur Wijayanto, Yoshiki Yamaguchi
  • 雑誌名: Proceedings of 2018 International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics, and Telecommunications 巻: 1 ページ: 121-124
  • DOI: 10.1109/icramet.2018.8683924
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thorough analysis of PCIe Gen3 communication (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Hiroki、Takayama Hirotaka、Yamaguchi Yoshiki、Boku Taisuke
  • 雑誌名: Proceedings of the International Conference on ReConFigurable Computing and FPGAs 巻: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1109/reconfig.2017.8279824
  • 査読あり
• [学会発表] A tightly-connected RISC-V manycore processor in a SIMD manner (2020)
  • 著者名/発表者名: Tan Yuxi, Ben Abdelhamid Riadh, Yamaguchi Yoshiki
  • 学会等名: IEICE Reconfigurable Systems
• [学会発表] High-Performance Computation of LGCA Fluid Dynamics on an FPGA-Based Platform (2020)
  • 著者名/発表者名: Du Changdao, Firmansyah Iman, Yamaguchi Yoshiki
  • 学会等名: International Conference on Computer and Communication Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Condensing an overload of parallel computing ingredients into a single architecture recipe (2020)
  • 著者名/発表者名: Ben Abdelhamid Riadh, Yamaguchi Yoshiki, and Boku Taisuke
  • 学会等名: Application-specific Systems, Architectures and Processors
  • 国際学会
• [学会発表] A Block-Based Systolic Array on an HBM2 FPGA for DNA Sequence Alignment (2020)
  • 著者名/発表者名: Ben Abdelhamid Riadh, Yamaguchi Yoshiki
  • 学会等名: Applied Reconfigurable Computing
  • 国際学会
• [学会発表] FPGA-Based Computational Fluid Dynamics Simulation Architecture via High-Level Synthesis Design Method (2020)
  • 著者名/発表者名: Du Changdao, Firmansyah Iman, Yamaguchi Yoshiki
  • 学会等名: Applied Reconfigurable Computing
  • 国際学会
• [学会発表] FPGA-based SPARQL query acceleration (2019)
  • 著者名/発表者名: Niki Mirai, Yamaguchi Yoshiki, and Amagasa Toshiyuki
  • 学会等名: Asia Pacific Conference on Robot IoT System Development and Platform
  • 国際学会
• [学会発表] MITRACA: A Next-Gen Heterogeneous Architecture (2019)
  • 著者名/発表者名: Ben Abdelhamid Riadh, Yamaguchi Yoshiki, and Boku Taisuke
  • 学会等名: Embedded Multicore/Many-core Systems-on-Chip
  • 国際学会
• [学会発表] MITRACA: Manycore Interlinked Torus Reconfigurable Accelerator Architecture (2019)
  • 著者名/発表者名: Ben Abdelhamid Riadh, Yamaguchi Yoshiki, and Boku Taisuke
  • 学会等名: Application-specific Systems, Architectures and Processors
  • 国際学会
• [学会発表] Matrix Multiplication Implementation on Cyclone V SoC FPGA using OpenCL (2018)
  • 著者名/発表者名: Iman Firmansyah, Du Changdao, Yoshiki Yamaguchi, Taisuke Boku
  • 学会等名: International Conference on Computer, Control, Informatics, and Its Application
  • 国際学会
• [学会発表] FPGAによる宇宙輻射輸送シミュレーションの演算加速 (2018)
  • 著者名/発表者名: 横野智也、藤田典久、小林諒平、山口佳樹、大畠佑真、朴泰祐、吉川耕司、安部牧人、梅村雅之
  • 学会等名: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
• [学会発表] 並列計算におけるFPGA高速相互接続に関する研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 敖運、中村大樹、山口佳樹
  • 学会等名: 第81回情報処理学会全国大会
• [学会発表] 高位設計と低位設計の違いとFPGA演算性能の関係について (2018)
  • 著者名/発表者名: 横野智也、山口佳樹、藤田典久、小林諒平、朴泰祐、吉川耕司、安部牧人、梅村雅之
  • 学会等名: 第81回情報処理学会全国大会
• [学会発表] FPGAを用いたストレージコントローラの実装と評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 紀野國祐太、山口佳樹
  • 学会等名: 第81回情報処理学会全国大会
• [学会発表] 宇宙輻射輸送計算におけるHDL設計とOpenCL設計の比較 (2017)
  • 著者名/発表者名: 横野智也、藤田典久、山口佳樹、大畠佑真、小林諒平、朴泰祐、吉川耕司、安部牧人、梅村雅之
  • 学会等名: 情報処理学会ハイパフォーマンスコンピューティング研究会
• [学会発表] PCIe Gen3データ転送におけるFPGA性能の徹底調査 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中村大樹、高山尋考、山口佳樹、朴泰祐
  • 学会等名: 電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
• [図書] Principles and Structures of FPGAs (2018)
  • 著者名/発表者名: Hideharu Amano, Toshinori Sueyoshi, Masahiro Iida, Motoki Amagasaki, Yuichiro Shibata, Tomonori Izumi, Yukio Mitsuyama, Kentaro Sano, Hiroki Nakahara, Tsutomu Maruyama, Yoshiki Yamaguchi, Yasunori Osana, Masato Motomura, Masanori Hariyama, Minoru Watanabe,
  • 総ページ数: 231
  • 出版者: Springer, Singapore
  • ISBN: 9789811308246
• [備考] 筑波大学情報工学域 山口佳樹
  • URL: https://www.cs.tsukuba.ac.jp/~yoshiki
• [備考] 筑波大学 HPCS研究室
  • URL: https://www.hpcs.cs.tsukuba.ac.jp/