基于PCIe的高性能FPGA-GPU-CPU异构编程架构

来源：计算机工程与科学杂志2021年第4期北京时间：

作者：孙兆鹏, 周宽久

单位：（大连理工大学软件学院，辽宁 大连 116620）

摘要：异构计算作为一种特殊的并行计算方式，能根据计算任务的特点发挥不同计算资源的能力，在提高服务器计算性能、能效比和实时性方面有极大优势，但目前异构计算环境存在编程复杂、可信性无法保证的问题。针对以上问题，提出了一个基于状态变迁矩阵(STM)的编程框架，可以集成GPU和FPGA的资源。通过状态迁移矩阵对CUDA和Vivado的应用程序接口(API)进行集成，自动生成异构计算所需要的标准C代码。通过PCIe总线连接GPU和FPGA设备，从而可以在这些异构计算单元之间进行数据传输，中间无需使用系统CPU内存。并且通过GPUDirect RDMA实现了FPGA作为主控器的PCIe通信，突破了GPU作为主控器的PCIe通信当中读取操作的短板。实验表明，相比共享内存的通信方式，FPGA作为主控器的PCIe通信方式的通信效率提高了1.4倍，实现的数据速率接近理论带宽的最大值。

关键词：状态变迁矩阵,异构计算,FPGA,GPU,PCIe,

基金资助：中央高校基本科研业务费专项资金(DUT19ZD104)