基于NETFPGA的可重构科学计算平台

采用了多片Altera® Stratix® III FPGA，并且使用Intel QuickAssist技术，XtremeData XD2000i In-Socket加速器(ISA)展示了这一强大的1066 MHz协处理解决方案。Stratix III FPGA的快速架构和I/O功能在这一模块中非常有效，实现了稳定的1,066 MHz FSB速率。XD2000i模块相对于目前的GPU还具有功耗、体积、存储器误码校正编码(ECC)等优势：功耗低于60W，模块可以紧密安装在刀片外形封装中。XD2000i模块结合了Intel Xeon 5000系列处理器和Stratix III FPGA协处理器，使客户能够使用性能最好的FSB加速器，显著降低了成本和功耗，产品更加紧凑。XD2000i模块采用了Stratix III FPGA，在基于Intel的平台上，实现的某些算法具有优异的性能。Intel QuickAssist技术工作台为Altera和XtremeData等公司提供了创新的协处理器解决方案开发环境。Intel提供基于FPGA的紧耦合In-socket加速器。将基于Stratix III FPGA的XD2000i插入到Intel Xeon处理器插槽中，使协处理器能够与存储器和主处理器实现高速链接，不需要改动电路板，从而为设计人员提供了简单的硬件集成途径。今年第三季度将提供新版XD2000i模块，四插槽电路板通过单独的FSB处理器互联支持500K逻辑单元(LE)以及1,536个乘法器。

• Nallatech：（http://www.nallatech.com）

该公司一直致力于高性能FPGA计算技术的研究与开发，其解决方案包含了目前业内FPGA最成熟和先进的开发技术，在技术的领先性和应用的普遍性方面取得了一个很好的平衡。模块化的硬件平台，提供一个由多个FPGA、内存、数模接口和串行接口组合而成的高带宽、内部连接的结构。具体形式有PCI，VME，cPCI 和PCI-104等形式。FUSE系统软件可以运行在包括Windows，Linux和VxWorks等操作系统的主机系统上，通过程序环境中的APIs，提供配置、控制以及和FPGA运算平台通信等功能。提供了在主机系统和Nallatech FPGA运算平台之间进行配置，控制和通信的功能，支持最常用的操作系统和编程语言。支持的操作系统包括Linux，Windows和VxWorks； FUSE APIs，包括支持DIMEtalk的APIs，支持C/C++ 和Java的APIs； 在单个系统中支持多个FPGA平台； FUSE Toolbox for MATLAB提供了Matlab和FPGA硬件平台的直接接口； 支持硬件和主机之间接口的TCL脚本语言。

• 美国星桥公司

星桥公司以175000-700000美元的价格销售4种型号的FPGA“超计算机”，被称为HC-62的“超计算机”的售价为350000美元，配置11个Xilinx公司生产的价格为3000美元的FPGA芯片，它每秒能够完成2000亿次浮点运算。售价为700000美元型号的“超计算机”包含有22有个Xilinx公司的芯片，每秒能够完成4000亿次浮点运算。另外，客户还必须购买Viva的许可证，每人每年的价格为45000美元。

• 苏格兰爱丁堡大学FPGA高性能计算联盟的Maxwell

Maxwell只占用了爱丁堡大学并行计算中心的两个机柜。这一技术目前存在的问题是，编程非常困难。导致Maxwell还很难投入商业使用。但Maxwell已经试运行了来自石油、金融、医疗成像等行业对处理能力要求较高的应用软件。在运行金融行业的软件时，Maxwell的速度是使用标准处理器的相似系统的2-300倍。Maxwell采用了Xilinx的FPGA技术。

• 国内现状

在基于FPGA的可重构高性能计算的研究领域，国内主要有中国科学技术大学等少数几所大学的相关教授在研究FPGA可重构计算的结构和算法，国内的FPGA可重构计算还处于起步阶段，与国际水平还有很大差距，尚无通用成品运算平台，国内主要研究现状比较见下表。

目前一般情况下对于需要使用PC来解决一个科学计算的问题，首先会使用C、Matlab或者其他语言来实现这个算法，变成程序，程序与操作系统进行交互运行，操作系统与机器码在CPU 的物理层上运行 ，而CPU 层则是工作在硬件逻辑层之上 . 可以看到，运算工作于3个层次，如果有办法让我们的算法直接工作在硬件逻辑层，那么算法的运算速度将大大提高。

科学计算软件如Matlab、Scilab是广大科研工作者广泛使用的数学工具，科研中大量的科学计算问题都是由科学计算语言来描述的，本研究的最终目的是采用基于FPGA的可重构计算技术对科学计算软件进行加速，使其能在PC平台上完成高性能科学计算。

这项研究最核心的问题就是如何把科学计算问题转换成为硬件逻辑（可综合）。

数学算法在PC上运行和在FPGA上运行情况对比

随着微电子工艺水平的提高和EDA工具的进步，目前主流商用FPGA芯片的集成规模已经超过I千万等效门，而且还在按照摩尔定律增加，利用这些芯片解决问题的能力越来越强。另一方面，随