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eHPC 嵌入式高性能计算系统

方案概要：

embedded High Performance Computing

2022-01-05

eHPC主要技术特点

● 高性能：峰值运算能力5.91 TFLOP;

● 可扩展：最大可支持14个刀片并行处理;

● 灵活性：每个刀片均支持FPGA、GPGPU协处理器加速;

● 高效能：刀片间数据传输时延 ≤ 10us;

● 环境适应性：良好的抗震动、抗冲击及温度特性;

● 适用应用：雷达及声呐信号处理、电子对抗等。

1. HPEC设计中的关键技术

随着国防信息化的迅猛发展，军工领域对高性能嵌入式计算(HPEC，High Performance Embedded Computing)系统的需求迅速增加。有别于商用HPC系统，HPEC系统的设计需要将商用HPC、嵌入式计算、传感器系统(数据采集及输出)等系统相关设计有机的整合在一起，这样才能真正的适应高性能嵌入式计算应用的要求。表1展示了三类应用对系统的不同技术要求，而HPEC正是需要将包括超算、SWaP(Size, Weight & Power)、各类预处理及协处理技术有机地整合起来。

表1、商用HPC、嵌入式计算、以及传感器系统对系统的不同要求

表2、主流HPEC系统设计中的技术方案

表2是当前主流HPEC系统设计中采用的各类分项技术。一个高效的HPEC系统应当是在把高性能计算技术、开放的系统互联技术、软件开发技术、以及行之有效的环境适应性解决技术进行平衡的基础上、开发出一个结构紧凑、抗恶劣环境能力出色、运算性极强、可维护性良好的嵌入式计算系统。方天科技的eHPC正是基于上述理念设计开发的一个HPEC高性能嵌入式计算平台。

2. eHPC的主要技术特点

eHPC的主要技术特色体现在系统的体系结构、运算加速技术、以及系统的开放式性等几个方面。具体如下：

● 基于OpenVPX总线的体系结构

总线结构

为了使系统具备良好的环境适应性，eHPC采用了VITA标准组织制定的VITA65 OpenVPX总线。其中，

FPX-4105系统采用了5槽Mesh全网互联拓扑结构，其基于10G的TOE互联协议可以在极小的处理器负荷条件下获得10Gbps的线速带宽，同时将数据包的传输时延控制在10us以内。
FPX-C216 系统采用了16槽Dual-Star双星拓扑结构，数据传输协议采用了2代SRIO高速串行协议，单一端口的带宽高达5GB/s。

OpenVPX总线的采用一方面极大提高了eHPC系统的环境适应性，使得系统的体积、抗震动冲击、电磁兼容等指标可以很好满足嵌入式应用环境的要求;与此同时10GE TOE和SRIO协议的采用更将板间互联的带宽和时延提高到了一个新的水平。

● 基于AVX2技术的256位元向量加速

多核、超线程技术的快速发展显著地提升了通用处理器的运算性能。雷达、声呐、软件无线电、电子对抗、图形图像处理等应用需要使用大量的信号及图像处理技术，因此矢量运算的能力将极大的制约相关系统的性能。eHPC充分利用的当前x86通用处理器中的矢量加速单元在向量运算方面的优势，其中INTEL AVX2向量加速单位元可以实现16GFLOPS/线程/GHz的向量运算的峰值性能。采用3.3GHz 4核8线程Core i7处理器可以实现422.4GFLOPS的单精度浮点峰值运算能力。将AVX2矢量加速单元与处理器通用核的有效融合，极大地提高了eHPC的运算性能。

● VITA 42 XMC夹层卡技术

eHPC的每一个处理器刀片均集成了一个符合VITA42标准的XMC夹层卡插槽。XMC夹层卡的使用可以在保持刀片6U 5HP板型不变的前提下实现FPGA预处理器、GPGPU协处理器以及各类高速传感器IO的集成。一方面可以大大提高eHPC的处理器刀片的运算性能，另一方面为各类高速传感器IO提供了高速、快速、紧凑的扩展方案。可以极大地提高eHPC系统的IO灵活性、以及运算处理能力。

● 开放式操作系统

eHPC支持两种不同的主流开放式操作系统，包括Linux分时操作系统以及VxWorks RTOS实时操作系统，可以最大限度地适应不同应用的要求。

● 符合VSIPL标准的应用加速库

目前VSIPL已经成为国际主流厂家广泛接受的信号及图像处理应用API编程接口。方天科技提供的FT-Vetcor不仅完全符合VSIPL标准，极大的提高了软件开发的可移植性和可维护性;同时FT-Vector还针对x86及AVX2体系结构进行的优化，可以很好地支持多核、多线程的结构，最大限度的发挥了硬件系统的性能。

3. eHPC的主要构成单元

eHPC有两个型号FPX-4105及FPX-C216，系统分别由如下几个单元部件构成。