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2017 年度 実績報告書

高性能計算に革新をもたらす非ノイマン型FPGAオーバーレイアーキテクチャの創出

研究課題

研究課題/領域番号 17H01706
研究機関東北大学

研究代表者

佐野 健太郎  東北大学, 大学院・情報科学研究科, 准教授 (00323048)

研究分担者 柴田 裕一郎  長崎大学, 工学研究科, 准教授 (10336183)
滝沢 寛之  東北大学, サイバーサイエンスセンター, 教授 (70323996)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワードオーバーレイアーキテクチャ / FPGA / 非ノイマン型 / データフロー / 高位合成 / 高性能計算
研究実績の概要

本研究では、次世代の高性能計算機を実現するために、回路再構成可能半導体であるFPGAを利用するための非ノイマン型オーバーレイアーキテクチャとその基盤技術の創出を目的として、FPGAクラスタ上において対象計算毎に専用ハードウェアを構成して計算を実現するための仮想アーキテクチャ(オーバーレイ)を設計すると共に、アルゴリズムを複数FPGAに跨るデータフロー回路として実装するための高位合成コンパイラを開発する。
本年度では、FPGAオーバーレイ(OVA)の開発準備として、FPGA OVAの概念設計とデータフローマシン高位合成コンパイラの仕様策定を行った。まず、FPGA OVAの概念設計として、計算アルゴリズムをデータフローグラフ(DFG)化しそれを回路再構成によりデータフロー(DF)エンジンとしてハードウェアにマッピングする計算モデルやその制御方式、および再構成部分と固定ハード間の機能分割について検討を行った。OVAを実装するフレームワークとして、固定ハードである「シェル」の設計と実装を行った。最後に、ホスト部分として、シェルを制御するためのドライバ、API、オブジェクトライブラリから構成される処理系の仕様や機能設計を行った。
次に、DFエンジンを生成する高位合成コンパイラの仕様策定に向けて、多重ループにより書かれたステンシル計算および多体問題計算を対象計算問題として選んだ上で、その調査を行った。これに基づき、データフローマシンの基本計算モデルやコンパイラへ入力する言語仕様の検討を行った。
加えて、ソフトウェア基盤やFPGAハードウェア基盤の開発環境を整備した。その後、ソフトウェア基盤・ハードウェア基盤、およびFPGA OVA用データフロー高位合成コンパイラの開発を開始した。加えて、次年度に予定するFPGAクラスタ試作に向け、FPGAボード等の選定を含むシステム設計を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

各種検討や仕様策定、開発環境の整備を行うと共に、FPGA上固定ハードウェアである「シェル」の設計と実装を行っており、概ね研究実施計画の通りに進んでいる。

今後の研究の推進方策

今後は、策定した仕様に基づいた開発を実施していくことになるが、研究分担者らとその分担内容やスケジュールを決めながら、密に連携して研究を推進していく予定である。

  • 研究成果

    (41件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (22件) (うち査読あり 14件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 9件、 招待講演 8件)

  • [雑誌論文] Performance Analysis of Hardware-Based Numerical Data Compression on Various Data Formats2018

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Ueno, Kentaro Sano, and Takashi Furusawa
    • 雑誌名

      Proceedings of the Data Compression Conference (DCC)

      巻: - ページ: 345-354

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 密結合FPGAクラスタのための直接網の設計と評価2018

    • 著者名/発表者名
      田中 大智, Antoniette Mondigo, 佐野 健太郎, 山本 悟
    • 雑誌名

      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 信学技法

      巻: 117(379) ページ: 71-76

  • [雑誌論文] FPGAによるデータフロー計算機におけるハードウェア資源割当て最適化2018

    • 著者名/発表者名
      長洲 航平, 佐野 健太郎
    • 雑誌名

      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 信学技法

      巻: 117(379) ページ: 145-150

  • [雑誌論文] FPGA-based Tsunami Simulation: Performance Comparison with GPUs, and Roofline Model for Scalability Analysis2017

    • 著者名/発表者名
      Kohei Nagasu, Kentaro Sano, Fumiya Kono, and Naohito Nakasato
    • 雑誌名

      Journal of Parallel and Distributed Computing (JPDC)

      巻: 106 ページ: 153-169

    • DOI

      DOI:10.1016/j.jpdc.2016.12.015

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Memory Bandwidth Compressor for FPGA-based High-Performance Custom Stream Computation2017

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Ueno, Kentaro Sano, and Satoru Yamamoto
    • 雑誌名

      ACM Transactions on Reconfigurable Technology and Systems (TRETS)

      巻: 10(3) ページ: 22 pages

    • DOI

      DOI:10.1145/3053688

    • 査読あり
  • [雑誌論文] FPGA-based Scalable and Power-Efficient Fluid Simulation using Floating-Point DSP Blocks2017

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano and Satoru Yamamoto
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems (TPDS)

      巻: 28(10) ページ: 2823-2837

    • DOI

      DOI:10.1109/TPDS.2017.2691770

    • 査読あり
  • [雑誌論文] FPGA-based Stream Computing for High-Performance N-Body Simulation using Floating-Point DSP Blocks2017

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano, Shin Abiko, and Tomohiro Ueno
    • 雑誌名

      Proceedings of the International Symposium on Highly-Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART)

      巻: - ページ: 6 pages

    • DOI

      DOI:10.1145/3120895.3120909

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design and Scalability Analysis of Bandwidth-Compressed Stream Computing with Multiple FPGAs2017

    • 著者名/発表者名
      Antoniette Mondigo, Tomohiro Ueno, Daichi Tanaka, Kentaro Sano, and Satoru Yamamoto
    • 雑誌名

      Proceedings of the International Symposium on Reconfigurable Communication-centric Systems-on-Chip (ReCoSoC)

      巻: - ページ: 8 pages

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-Performance Scalable Stream Computing with Multiple FPGAs2017

    • 著者名/発表者名
      Antoniette Mondigo, Tomohiro Ueno, Daichi Tanaka, Kentaro Sano, and Satoru Yamamoto
    • 雑誌名

      ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム予稿集 (HPCS2017)

      巻: - ページ: 1 page

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 浮動小数点DSP搭載FPGAを利用したストリーム計算に基づく高性能多体問題シミュレーション専用計算機2017

    • 著者名/発表者名
      安孫子 愼, 佐野健太郎, 上野 知洋
    • 雑誌名

      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 信学技法,

      巻: 117(46) ページ: 87-92

  • [雑誌論文] 密結合FPGAクラスタによる並列流体計算の通信性能評価2017

    • 著者名/発表者名
      田中 大智, Antoniette Mondigo, 佐野 健太郎, 山本 悟
    • 雑誌名

      第31回数値流体力学シンポジウム講演論文集

      巻: - ページ: 1 page

  • [雑誌論文] FPGAを利用した津波シミュレーション専用計算機の資源割当て最適化と性能評価,2017

    • 著者名/発表者名
      長州 航平, 佐野 健太郎, 山本 悟
    • 雑誌名

      第31回数値流体力学シンポジウム講演論文集

      巻: - ページ: 1 page

  • [雑誌論文] A Memory Congestion-aware MPI Process Placement for Modern NUMA Systems2017

    • 著者名/発表者名
      Mulya Agung, Muhammad Alfian Amrizal, Kazuhiko Komatsu, Ryusuke Egawa, and Hiroyuki Takizawa
    • 雑誌名

      the 24th IEEE International Conference on High Performance Computing, Data, and Analytics (HiPC2017)

      巻: - ページ: 10 pages

    • DOI

      DOI: 10.1109/HiPC.2017.00026

    • 査読あり
  • [雑誌論文] HLS-Based FPGA Acceleration of Building-Cube Stencil Computation2017

    • 著者名/発表者名
      R. Soejima, Y. Shibata, and K. Oguri
    • 雑誌名

      Advances in Intelligent Systems and Computing (AISC)

      巻: 611 ページ: 463-474

    • DOI

      DOI: 10.1007/978-3-319-61566-0_42

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Power Performance Analysis of FPGA-Based Particle Filtering for Realtime Object Tracking2017

    • 著者名/発表者名
      A. Tahara, Y. Hayashida, T. T. Thu, Y. Shibata, and K. Oguri
    • 雑誌名

      Advances in Intelligent Systems and Computing (AISC)

      巻: 611 ページ: 451-462

    • DOI

      DOI: 10.1007/978-3-319-61566-0_41

    • 査読あり
  • [雑誌論文] FPGA Implementation of a Real-Time Super-Resolution System with a CNN Based on a Residue Number System2017

    • 著者名/発表者名
      T. Manabe, Y. Shibata, and K. Oguri
    • 雑誌名

      Proceedings of the International Conference on Field-Programmable Technology (FPT)

      巻: - ページ: 299-300

    • DOI

      DOI: 10.1109/FPT.2017.8280165

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Comparative Evaluation of FPGA Implementation Alternatives for Real-Time Robust Ellipse Estimation based on RANSAC Algorithm2017

    • 著者名/発表者名
      T. T. Thu, J. Hamamura, R. Soejima, Y. Shibata, and K. Oguri
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences

      巻: E100-A(7) ページ: 1409-1417

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Deep-pipelined FPGA Implementation of Real-time Object Tracking using a Particle Filter2017

    • 著者名/発表者名
      T. T. Thu, Y. Hayashida, A. Tahara, Y. Shibata, and K. Oguri
    • 雑誌名

      International Journal of Networking and Computing (IJNC)

      巻: 7(2) ページ: 372-386

    • DOI

      DOI: 10.15803/ijnc.7.2_372

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] FPGA Implementation of a Graph Cut Algorithm for Stereo Vision2017

    • 著者名/発表者名
      R. Kamasaka, Y. Shibata, and K. Oguri
    • 雑誌名

      Proceedings of the International Symposium on Highly Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART)

      巻: - ページ: 14:1-14:6

    • DOI

      DOI: 10.1145/3120895.3120907

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ステレオビジョン用グラフカットアルゴリズムのFPGA実装2017

    • 著者名/発表者名
      釜坂 僚, 柴田 裕一郎, 小栗 清
    • 雑誌名

      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 信学技法

      巻: 117(46) ページ: 50-56

  • [雑誌論文] RNSベースのCNNを用いたリアルタイム超解像システムのFPGA実装2017

    • 著者名/発表者名
      眞邉 泰斗, 柴田 裕一郎, 小栗 清
    • 雑誌名

      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 信学技法

      巻: 117(46) ページ: 19-24

  • [雑誌論文] FPGAによる物体追跡用パーティクルフィルタの高効率実装2017

    • 著者名/発表者名
      田原 あかね, 林田 与志樹, Theint Theint Thu, 柴田 裕一郎, 小栗 清
    • 雑誌名

      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 信学技法

      巻: 117(46) ページ: 63-68

  • [学会発表] Data-Flow HPC with Custom Hardware on FPGA Cluster2018

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano
    • 学会等名
      The 27th Workshop on Sustained Simulation Performance
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Data-Flow HPC with Custom Hardware on FPGA Cluster2018

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano
    • 学会等名
      SIAM Conference on Parallel Processing for Scientific Computing (SIAM-PP)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Data-Flow Hardware Optimization by Design Space Exploration2018

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano
    • 学会等名
      3rd International Workshop on FPGA for HPC (IWFH)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The path toward reconfigurable high-performance computing2018

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano
    • 学会等名
      Workshop on Japan-USA Collaboration for Extreme-scale System Software
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Performance Analysis of Hardware-Based Numerical Data Compression on Various Data Formats2018

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Ueno
    • 学会等名
      The Data Compression Conference (DCC)
    • 国際学会
  • [学会発表] FPGAを用いた高性能計算の可能性とデータフロープログラミング2017

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 学会等名
      株式会社サムスン日本研究所講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] FPGAによる高性能データフロー計算システムの研究開発と数値流体力学計算への応用2017

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 学会等名
      CAE計算環境研究会第10 回シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] FPGAを用いた高性能計算の可能性とデータフロープログラミング2017

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 学会等名
      第17回PCクラスタシンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] FPGA-based Stream Computing for High-Performance N-Body Simulation using Floating-Point DSP Blocks2017

    • 著者名/発表者名
      Shin Abiko
    • 学会等名
      International Symposium on Highly-Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies
    • 国際学会
  • [学会発表] Design and Scalability Analysis of Bandwidth-Compressed Stream Computing with Multiple FPGAs2017

    • 著者名/発表者名
      Antoniette Mondigo
    • 学会等名
      International Symposium on Reconfigurable Communication-centric Systems-on-Chip
    • 国際学会
  • [学会発表] 浮動小数点DSP搭載FPGAを利用したストリーム計算に基づく高性能多体問題シミュレーション専用計算機2017

    • 著者名/発表者名
      安孫子 愼
    • 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] High-Performance Scalable Stream Computing with Multiple FPGAs2017

    • 著者名/発表者名
      Antoniette Mondigo
    • 学会等名
      ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム
  • [学会発表] データフローに基づく高性能計算システム2017

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 学会等名
      第23 回タ-ボ機械・航空宇宙の空力伝熱セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 密結合FPGAクラスタによる並列流体計算の通信性能評価2017

    • 著者名/発表者名
      田中 大智
    • 学会等名
      第31回数値流体力学シンポジウム,
  • [学会発表] FPGAを利用した津波シミュレーション専用計算機の資源割当て最適化と性能評価2017

    • 著者名/発表者名
      長州 航平
    • 学会等名
      第31回数値流体力学シンポジウム,
  • [学会発表] 密結合FPGAクラスタのための直接網の設計と評価2017

    • 著者名/発表者名
      田中 大智
    • 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] FPGAによるデータフロー計算機におけるハードウェア資源割当て最適化2017

    • 著者名/発表者名
      長洲 航平
    • 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] Data-Flow HPC with Custom Hardware on FPGA Cluster2017

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano
    • 学会等名
      Joint Workshop on High-Performance Computing with NSCC-Wuxi and Tohoku University
    • 国際学会
  • [学会発表] Architecting FPGA-Based High- Performance Computing Machines in the Post-Moore Era2017

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano
    • 学会等名
      Workshop of Joint Laboratory on Extreme Scale Computing (NCSA)
    • 国際学会

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公開日: 2018-12-17  

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