阵列处理器系统芯片的发展

　　1971年发明的处理器芯片起着定义计算机的作用，从此，计算机是按照处理器芯片的发展而演变的,是芯片上的计算机，处理器芯片的ISA(Instruction Set Architecture，指令集架构)已是国外的一统天下。1987年人们提出了系统芯片(SoC)的概念，研究如何将计算机的系统设计都转移到系统芯片设计上来，将起到换代的作用。系统芯片已有总线互连的MP(Multi-Processor，多处理器)系统芯片与网络互连的AP(Array Processor，阵列处理器)系统芯片，但AP系统芯片还没有发展到成熟的阶段，给我国的芯片设计提供了一次竞争的机会。因此，我们对MPP(Massively Parallel Processing，大规模并行处理)系统芯片体系结构进行了研究[1]。现在，又从数据流动的计算模式、并行计算的阵列芯片、应用演变的数学技术、以及硅基芯片的制造技术等4个方面的统一，研究了阵列处理器系统芯片的发展问题，提出了如何设计一种统一体系结构的阵列处理器系统芯片，简称APU(Array Processing for Unification architecture，统一体系结构的阵列处理器)系统芯片。

　　数据流动的计算模式的统一

　　1935年的图灵抽象机定义了控制数据流动而完成计算的计算模式，现在已形成了指令流、数据流与构令流三种控制数据流动的计算模式。现在流行的控制数据流动的计算模式主要是冯·诺依曼的指令流计算模式，有SISD、SIMD、MISD与MIMD四种体系结构的指令流计算模式。但现在的单核/多核/众核芯片，只实现了SISD的指令流计算模式，以及MMX[SIMD]，流水线[MISD]，VLIW[MIMD]等低并行计算度的指令流计算模式。由于SIMD的指令流计算模式最适合图像处理算法，SIMD体系结构的处理器与计算机早已得到了发展。数据流计算模式是采用电路设计的ASIC/ASSP芯片，或者是静态重构的FPGA芯片实现的，而构令流计算模式是通过可重构的RC Device(Re Configurable Device)芯片实现的，它们的计算效率高，应用的设计门槛也高，没有程序设计的灵活性，芯片的品种多。因此，我们研究并实现了MISD/MIMD的指令流计算模式，它不仅具有数据流/构令流计算模式的计算高效性，而且具有程序设计的灵活性，应用的设计门槛低，芯片的品种少等。计算模式的统一就是用MISD/MIMD的指令流计算模式，取代没有程序设计灵活性的数据流/构令流计算模式，使所有计算统一成指令流计算模式。

　　并行计算的阵列芯片的统一

　　从并行计算来看，有任务级并行计算、数据级并行计算、操作级并行计算与指令级并行计算的阵列芯片。现在的MPP计算机主要是按任务级并行(TLP，Task Level Parallel)完成计算的;是采用单核/多核/众核芯片实现的。单核/多核/众核芯片正在向TLP计算的MP系统芯片与AP系统芯片演变[2，3]，TLP计算是将任务(进程/线程)映射到核(处理器)上完成计算的，是一种MPMD的计算。由于任务(进程/线程)之间存在同步与互斥问题，TLP计算的效率低、编程复杂。数据级并行(DLP，Data Level Parallel)计算是按SIMD模式完成的计算，主要是采用指令流计算模式中的SIMD体系结构实现的，已有GPU等系统芯片[4,5]，以及GPU或者是CPU+GPU的MPP计算机。操作级并行(OLP，Operation Level Parallel)计算是在数据流计算模式的ASIC/ASSP/FPGA阵列芯片，与构令流计算模式的RC Device的阵列芯片上完成并行计算的，没有程序设计(改变)的灵活性。科学和艺术都是用来探索4维的时空关系的，APU系统芯片是采用PE(Processing Element)之间的邻接(abutting)技术，探索4维的时空并行计算关系的，实现DLP计算与指令级并行(ILP，Instruction Level Parallel)计算的。阵列芯片的统一就是SIMD的DLP计算与MISD/MIMD的ILP计算，是采用处理元之间邻接互连(Abutting)的APU系统芯片统一实现的。