[發明專利]基于FPGA的可重構線性方程組求解加速器

有效

• 申請號: 201810412917.0
• 申請日: 2018-04-30
• 公開（公告）號: CN108763653B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 潘紅兵;蘇巖;秦子迪;何書專;李麗;李偉
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06F30/331
• 分類號: G06F30/331
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 陳揚;吳揚帆

本發明提供了的基于FPGA的可重構線性方程組求解加速器，包括：數據分配模塊，用于將內部存儲器中的數據分配給計算陣列模塊,根據輸入系數矩陣的規模和類型，在主控制模塊的控制下調整數據分配的方式；主程序控制模塊，用于控制數據分配模塊、重構控制模塊和計算陣列模塊的運行以及各模塊之間的通信；重構控制模塊，用于根據系數矩陣的規模和類型重新設置計算方式；內部存儲器模塊，用于存儲系數矩陣和向量數據；計算陣列模塊，用于計算線性方程組的解。發明設計的重構方法可以同時調整數據的存儲和傳輸方式，在對運算資源和運算精度不同需求的場景下可采用不同的運算模式，相比于現有的線性方程組求解加速器，具有更好的通用性。

技術領域

本發明屬于數據處理技術領域，涉及線性方程組求解技術。

背景技術

線性方程組求解屬于矩陣計算的一部分，是科學和工程計算的核心。求解線性方程組是一類計算密集型任務，廣泛的存在于數據挖掘、信號處理和數值逼近等領域。

大規模線性方程組的求解一般有兩類，系數矩陣是稀疏矩陣和系數矩陣是稠密矩陣兩類。在求解稀疏線性方程組時，由于存在大量元素，采用迭代法求解將會節約很多計算資源，通過多次迭代，解向量最終逼近精確解。在求解稠密線性方程組時，一般采用LU分解的方法，獲得線性方程組的精確解。由于兩種算法的差異，大規模線性方程組的求解往往通過高性能服務器上的通用處理器實現軟件求解。

FPGA具有大量的計算部件，可以將大規模重復計算并行流水處理，實現算法的并行化，對于加速大規模線性方程組的求解是很好的選擇。結合FPGA可重構技術，針對不同的算法做出設計，可以實現求解方式的通用性。

發明內容

為了解決上述問題，實現求解方式的通用性，本發明基于可重構技術，提出一種基于FPGA的針對稀疏和稠密矩陣線性方程組的通用求解加速器，發明提出了針對兩種不同類型線性方程組的重構方法，具體由以下技術方案實現。

基于FPGA的可重構線性方程組求解加速器，包括：

數據分配模塊，用于將內部存儲器中的數據分配給計算陣列模塊,根據輸入系數矩陣的規模和類型，在主控制模塊的控制下調整數據分配的方式；

主程序控制模塊，用于控制數據分配模塊、重構控制模塊和計算陣列模塊的運行以及各模塊之間的通信；

重構控制模塊，用于根據系數矩陣的規模和類型重新設置計算方式；

內部存儲器模塊，用于存儲系數矩陣和向量數據；

計算陣列模塊，用于計算線性方程組的解。

所述基于FPGA的可重構線性方程組求解加速器的進一步設計在于，所述數據分配模塊控制各個時刻內部存儲器模塊中的數據到計算陣列模塊的緩存的數據通路，操作內部存儲模塊中的數據交換，對每個分配的列數據加上頭標記，使數據分配到匹配的計算陣列模塊的計算單元緩存中。

所述基于FPGA的可重構線性方程組求解加速器的進一步設計在于，數據分配模塊處理的系數矩陣類型分為稀疏系數矩陣和稠密系數矩陣。

所述基于FPGA的可重構線性方程組求解加速器的進一步設計在于，主程序模塊分別與數據分配模塊、重構控制模塊以及計算陣列模塊雙向通信連接，實現了對數據分配模塊、重構控制模塊和計算陣列模塊運行以及各模塊之間通信的控制，形成線性方程組求解加速器的最上層控制器。

所述基于FPGA的可重構線性方程組求解加速器的進一步設計在于，重構控制模塊根據系數矩陣的類型，對于矩陣的類型為稀疏系數矩陣，重新設置計算陣列模塊的運行模式為迭代法；對于矩陣的類型為稠密系數矩陣，重新設置計算陣列模塊的運行模式為直接法。