面向軟件定義芯片通用的算子恢復技術 吳偉峰 9787547868089 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
面對軟件和硬件在細節 抽象上存在的巨大差異，為探索一條提高軟件定義芯片易用性和計算效率的有效途徑，本書提出一套通用的算子恢復技術，為高級語言程序和芯片硬件架起一座高效溝通的橋樑。
本書系統地介紹了軟件定義芯片的概念、國內外研究與產業現狀、基本原理、需要研究的關鍵問題和研究平臺，深入闡述了編譯領域的多種指令選擇技術，又基於指令選擇技術、圖匹配技術、最優化原理方法和軟件逆向思維提出面向軟件定義芯片通用的算子恢復技術，將細粒度的通用操作集合恢復成粗粒度的芯片算子操作，為增強軟件定義芯片的易用性和計算效率提供一套可行方案，並提供了相關的工程實現核心代碼。

作者簡介
吳偉峰
博士，清華大學移動計算研究中心工程師。研究領域包括：編譯器、編程語言研發、多語言程序自動轉換、二進制翻譯、反編譯、高性能計算和數據庫加密應用等。目前主要致力於軟件定義芯片配套編譯系統的研究及開發工作。

目錄

第1章 軟件定義芯片 1
1 1 概述 1
1 1 1 計算架構發展歷程 1
1 1 2 軟件定義芯片簡介 3
1 2 重點研究方向 6
1 2 1 硬件架構與高效性 7
1 2 2 編程模型與靈活性 8
1 2 3 編譯框架與易用性9
參考文獻 11
第2章 基於LLVM的研發平臺14
2 1 LLVM介紹14
2 1 1 經典編譯器設計概覽 16
2 1 2 現有實踐17
2 1 3 LLVM中間碼18
2 1 4 LLVM三段式設計 19
2 1 5 模塊化設計附帶閃點 23
2 2 研發平臺介紹24
2 2 1 CMake構建選項24
2 2 2 循環體 DFG圖生成 25
2 3 限制27
參考文獻 27
第3章 指令選擇技術 28
3 1 概述29
3 1 1 指令選擇介紹 29
3 1 2 機器指令特徵 32
3 1 3 最優指令選擇 34
3 1 4 指令選擇的早期發展 35
3 1 5 相關知識及定義 36
3 1 6 指令選擇的基礎分類 40
3 1 7 指令選擇的歸質任務劃分49
3 2 技術介紹 49
3 2 1 初級技術 49
3 2 2 模式匹配 52
3 2 3 模式選擇 68
3 3 展望83
3 3 1 待研究主題83
3 3 2 挑戰84
參考文獻 85
第4章 通用算子恢復技術97
4 1 提高軟件定義芯片易用性的相關技術 97
4 2 算子恢復技術的引入98
4 3 軟件定義芯片通用算子恢復系統 99
4 3 1 軟件定義芯片抽象算子100
4 3 2 通用算子恢復系統的輸入 106
4 3 3 算子基本模板圖匹配 117
4 3 4 算子聚合126
4 3 5 算子選擇127
4 3 6 算子生成131
4 3 7 複雜度分析 132
4 3 8 總結 135
參考文獻135
第5章 通用算子恢復系統實現136
5 1 DFG 圖數據結構 136
5 1 1 結點操作碼定義136
5 1 2 結點數據結構138
5 1 3 邊數據結構 139
5 1 4 圖數據結構 140
5 2 算子基本模板庫工程示例 140
5 2 1 DOT語言 141
5 2 2 算子基本模板工程示例142
5 3 圖匹配優先級序列工程示例 147
5 4 算子聚合模板庫工程示例 148
5 4 1 AU算子聚合模板151
5 4 2 二級 LU算子聚合模板155
5 4 3 三級 LU算子聚合模板159
5 4 4 SU模式一算子聚合模板179
5 4 5 SU模式二算子聚合模板180
5 4 6 SU模式三算子聚合模板183
5 5 算子基本模板庫圖匹配工程示例 190
5 5 1 算子基本模板匹配總控函數 190
5 5 2 算子基本模板匹配函數191
5 5 3 結點匹配函數193
5 5 4 結點向上匹配函數 198
5 5 5 基本算子恢復函數 199
5 6 算子聚合工程示例 203
5 6 1 LU算子抽象轉換函數 204
5 6 2 算子聚合模板匹配總控函數 205
5 6 3 算子聚合模板匹配函數207
5 6 4 LU抽象算子還原函數 215
5 7 算子選擇工程示例 216
5 8 算子生成工程示例224
參考文獻238
第6章 結語與展望 239
6 1 結語 239
6 2 展望239
6 2 1 軟件定義芯片的虛擬化240
6 2 2 利用機器學習進行在線訓練 241
參考文獻243
索引245
前 言
隨著現代社會向數字化、自動化、智能化的方向轉型發展，人們對計算服務的需求與日俱增。近半個世紀以來，集成電路工藝技術的進步是提高計算結構能力的主要措施之一，隨著摩爾定律和登納德縮放比例定律放緩甚至走向終結，此方法正在逐漸失效。
眾所周知，功耗牆問題的出現使得集成電路的功耗約束在許多應用中變得更加嚴格。集成電路工藝進步帶來的性能收益越來越小，這使得硬件架構可實現的計算能力受到嚴重限制。因此，計算機架構設計師不得不將注意力從性能轉移到能效上；計算電路的靈活性也成為不容忽視的設計考慮要素。
隨著新興應用不斷湧現、用戶需求持續增加、科技能力快速進步以及軟件升級越來越快，不能適應軟件變化的硬件實現形式將面臨生命週期過短和一次性工程成本過高的難題。效率、靈活性和易用性已成為新硬件架構設計中三個最關鍵的評價指標。
對於主流計算架構，滿足這些新需求極具挑戰性。專用集成電路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)能效雖高，但不具備靈活性；而馮 諾依曼處理器，如通用處理器(General Purpose Processor，GPP)、圖形處理單元(Graphics Processing Unit，GPU)、數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)雖足夠靈活，但能效太低。現場可編程邏輯門陣列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)因具備定制實現大規模數字邏輯、快速完成產品定型等能力而被廣為使用，在通信、網絡、航天、國防等領域擁有牢固的重要地位。因其單比特編程粒度、靜態配置等本征屬性造成了能量效率低、容量受限、使用門檻高等問題，無法滿足不斷提高的應用需求。近年來，通過採用擴大硬件規模、異構計算、高級語言編程等方法，FPGA進行了持續的技術升級，但受其本征屬性限制，上述問題始終未能從根本上得到解決。如果FPGA的基礎架構不發生根本性的改變，其未來將充滿重重困難。
軟件定義芯片採用以粗粒度為主的混合編程粒度與動態配置相結合的方式，可以從根本上解決以上制約FPGA發展的技術難題，並同時滿足能效和靈活性的需求。混合編程粒度能大幅減小資源冗餘，提升芯片能效；動態配置通過時分複用能擺脫承載容量的限制，與高級語言配合可提高芯片的可編程性、降低使用門檻。
軟件定義芯片已成為世界強國戰略必爭的科研高地。2018年，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)為啟動”電子振興計劃”斥資7100萬美元，組織全美最強力量，開展了對軟件定義芯片的聯合攻關。歐盟推出的”地平線2020”也對該方向給予高度的重視和持續的研發支持。
編程語言正朝著更高層次、更為抽象的表達方式演進；硬件體系結構卻向更加複雜的方向發展。隨著應用程序和硬件之間的抽象差距越來越大，編譯器在自動利用硬件資源以實現最佳性能方面變得越來越捉襟見肘。多數人習慣于串行化思維模式，高級語言通常描述的是串行執行過程，軟件研發人員使用高級語言編程時效率更高。如何讓不瞭解硬件設計的軟件人員採用純軟件思維就能對軟件定義芯片進行高效編程，以降低使用門檻、拓展使用範圍、加快應用的迭代與部署速度，即提高軟件定義芯片的易用性，不僅是一項艱巨的挑戰，也是一個亟待解決的問題。
軟件定義芯片的功能，最終要靠程序員編寫的軟件來實現。一套硬件能否吸引大量用戶投入精力去開發軟件的一個必要條件是硬件支持的軟件需向前兼容，即用戶之前編寫的軟件能比較方便地在新的芯片上正確運行。一個優秀的編譯系統可以在不過多地影響程序員生產力的條件下，有效地挖掘軟件定義芯片的硬件潛能，為用戶提供更加方便且高效地使用芯片硬件資源的方法。
面對軟件和硬件在細節 抽象上存在的巨大差異，為探索一條提高軟件定義芯片的易用性和計算效率的有效途徑，本書提出一套通用的算子恢復技術，為高級語言程序和芯片硬件架起一座通用且能實現高效溝通的橋樑。可有效解決塊際指令、多輸出指令及循環控制等傳統方法難以處理的問題。
本書首先系統地介紹了計算架構發展的歷程、軟件定義芯片的概念及需要重點研究的關鍵問題。第二章 介紹基於LLVM開發的研究平臺。第三章 系統地介紹編譯領域的指令選擇技術，基於模式匹配、模式選擇兩大維度及樹全覆蓋、DAG全覆蓋和圖全覆蓋三大策略對多種技術進行深入闡述，為通用算子恢復技術的提出賦予了基礎理論的支撐。第四章 詳細介紹通用算子恢復技術，基於圖匹配技術、最優化原理(Principle of Optimality，PO)方法和軟件逆向(Software Reverse，SR)思維將細粒度的通用操作集恢復成粗粒度的芯片算子操作，為增強軟件定義芯片的編程效率和計算效率提供一套可行方案。
第五章 基於通用算子恢復技術及配套算法給出通用算子恢復系統的工程實現核心代碼，並對代碼進行詳細的分析介紹。第六章 對面向軟件定義芯片通用的算子恢復技術及恢復系統進行總結，並展望了提高軟件定義芯片易用性、計算效率和靈活性的發展趨勢。
本書是基於筆者在清華大學移動計算研究中心從事的科學研究工作而撰寫的，在寫作過程中，朱建峰博士、王婷博士和博士生張泰然給予了諸多寶貴建議和幫助。在此對他們表示衷心的感謝!最後，特別感謝我的妻子關霞，沒有她在背後默默的支持和鼓勵，本書絕沒有面世的可能。
限於筆者時間和水平均有限，書中定然存在一些不足之處，敬請讀者不吝指正。
吳偉峰2024年3月于清華園

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