新一代图形处理系统芯片体系结构及关键技术研究

图形处理器芯片已经从图形加速专用芯片发展成大规模并行处理系统芯片。纳米级芯片制造工艺的发展为大幅度提高图形计算和通用计算的能力提供了可能,因此当前图形处理系统芯片试图突破传统的基于Z-Buffer的图形流水线的基本限制，正在酝酿体系结构的重要变革。本项目拟采用同构处理器邻接互连的结构做为新一代图形处理系统芯片的体系结构,并研究图形处理器芯片设计的关键技术，包括：新的图形产生算法、复杂染色算法及其硬件实现、面向图形的阵列处理器设计、芯片的低功耗、容错和避错设计策略等。本项目提出的新型体系结构可以适应工艺发展，有利于解决长线、功耗、工艺偏差和缺陷等红墙问题，并能同时满足图形计算和非图形计算要求，实现任务级、数据级、操作级三种并行计算模式的统一，具有计算的高效性和编程的灵活性。本项目提供的图形处理器芯片设计的关键技术和设计原型，将为我国自主进行图形处理器芯片设计并赶超国际先进水平创造条件。

图形处理器(GPU) 芯片用量已经超过CPU。由于我国不掌握关键技术，到目前为止GPU芯片完全依赖进口，高端GPU芯片还受到国外的封锁。GPU芯片技术体现一个国家的核心技术水平，具有战略意义。本项目在国内首次系统地研究GPU芯片的关键技术和新的体系结构：（1）建立了GPU设计和验证的FPGA平台,设计出了萤火虫1号嵌入式GPU芯片以及相应的OpenGL软件库，并经过流片验证测试。奠定了自主开发GPU的技术基础。（2）根据沈绪榜院士的“计算模式的统一研究”的思想，提出并实现了新一代的图形处理系统芯片体系结构（PAAG），并进行了多种应用的实验,包括并行前景目标检测、人脸检测、LBP压缩跟踪、生物计算并行实现，光线跟踪渲染，统一染色器的并行实现等。验证了PAAG可以完成SIMD\MIMD等多种并行运算，并有合理的加速比。（3）提出了GPU的表面硬件分割新算法,与PAAG 相应的功耗管理、低功耗设计策略、容错和避错策略。. 萤火虫1号GPU芯片在2015年通过了陕西省科技厅组织的成果鉴定，认为所设计的GPU芯片达到国内领先水平并填补了国内空白。依托该成果，已经组建了初创公司“西邮微电子科技有限公司” 实现产业化。另外实现多态阵列处理器架构（PAAG）的萤火虫2号的原型和LEON 3 CPU的组成的系统芯片也流片测试成功，其中的多态阵列机是一个自主设计的16核阵列机。该芯片运行频率可达250-300MHz，峰值计算速度可达8-9.6GFlops。PAAG可以把多种并行计算统一起来，进行了软件开发环境包括OpenCL 和OpenVX的实验开发，为发展我国自主的高性能GPU和高性能计算机的提供了技术基础。项目申请专利10项，软件著作权3项，集成电路布图保护3项。发表论文109篇，SCI，EI收录40篇。专著2部。培养博士6人，硕士60多人，为国内主流硬件企业例如华为，展讯和兆芯等输送大批GPU人才。