Fortranを入力言語とする高位合成ツールFortRockの開発について

1. Fortranを用いた高位合成技術FortRockの開発
山下 貴大1) 五十嵐 雄太1) 中條 拓伯1)
1)東京農工大学 工学府 情報工学専攻

2. 研究背景
● 半導体プロセス技術の向上
– チップ面積の減少
– 集積度・回路規模の向上
● FPGAの利用拡大
– プロトタイピング
● SoC，ASIC設計プロトタイプの構築
– HPC (High Performance Computing)
● 膨大なデータ・数値計算を扱うプログラム
–例) 流体解析，タンパク質構造の解析
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3. 近年のHPCシステム
● マルチコアサーバ
– 現在多くのHPCで用いられているシステム
– x86やPOWERなどの汎用マルチコアプロセッサを利用
– 消費電力性能が悪い (効率的でない)
● GPGPU (General Purpose computing onGPU)
– GPUでハードウェアアクセラレーション
– 一度に大量のデータの処理に特化
– 大規模な並列性のないプログラムでは性能が発揮できない
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4. HPCにおけるFPGAの有用性
● 特定の用途に特化した演算器
– 都度用意するのはコストがかかる
● FPGAを用いたハードウェアアクセラレーション
– 特定の用途に特化した演算器が作成可能
– リコンフィギュレーション
● 再利用可能
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5. 過去のFortranの資産
● Fortran
– 科学技術計算において広く利用されてきた
プログラム言語
– 過去のプログラム資産が大量に存在
● Fortranの利用例
– NASA Mariner 1
– JAXA UPACS, FlontFlow-red
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6. Fortran資産の再利用
● 過去のFortran資産の有効活用
– FPGA上で動作させる
– 手作業でのFPGAへのポーティングは困難
● 移植結果が正しく動作するか逐一確認
(論理合成に時間がかかる)
● Fortranコンパイラの最適化技術
● アルゴリズムの修正が困難
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7. 高位合成技術
CやJavaなどのハードウェア記述言語(HDL)より
抽象度の高い言語でのFPGAの設計
● 高位合成ツール
– C
● Impulse C, CyberWorkBench
– Java
● Synthesijer, JavaRock-Thrash
● 高位合成ツールの利点
– 開発期間の短縮
– プログラム資産の再利用性の向上
– プログラマの負荷軽減
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8. 先行研究 JavaRock-Thrash
● JavaRock-Thrashとは
– Javaプログラムを入力とする高位合成ツールの1つ
● JavaRock-Thrashの特徴
– Javaスレッドとループ展開をサポート
– Javaの文法を拡張しない
● 既存の多くのJavaエンジニアが扱える
● ソースコードレベルでの最適化を行う
– ループ展開
– クリティカルパスの最小化
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9. 先行研究 F2JRT (Fortran to JavaRock-Thrash)
● F2JRTとは
– FortranからJavaRock-Thrashで利用可能な
Javaコードに変換するプログラム
● F2JRTの問題点
– Javaがサポートしていない文法の変換が困難
● 例) goto文
–最適化が困難
● 回路の性能がJavaRock-Thrashに依存
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10. 提案手法
● FortRock
– Fortran言語で記述されたプログラムを
LLVM IRを経由してVerilog HDLを出力
FortRock
入力
Fortran
中間表現
LLVM IR
出力
Verilog HDL
Dragonegg
(LLVMフロントエンド)
FortRock Core
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11. FortRockの目的
●過去のFortran資産をFPGA上で実行
● Fortranから直接HDLを出力
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12. LLVM
● C++で記述されたコンパイラ基盤
– コンパイラを作るためのフレームワークを提供
● 2000年にイリノイ大学で開始された
研究プロジェクト
– 現在でも活発に開発が行われている
● Xcode 4, Swiftで使用されている
LLVMオフィシャルロゴ
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13. FortRockの処理の流れ
ソースコード
Fortran
フロントエンド
LLVM IRに変換する
変換前LLVM IR Pass
LLVM Core
解析･最適化
入力を
(任意のPassを選択可能)
実装
Pass
B Verilog HDL
A 変換後 LLVM IR
コード生成
FortRock Core
PassManager
再利用可能
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14. FortRockの出力規則 - SUBROUTINE -
SUBROUTINE CALC(A, B, C, RET)
INTEGER A, B, C, RET
RET = A * B + C
RETURN
END
CALC
A
B RET
C
res fin
clk
32
32
32
32
入力 SUBROUTINE 出力モジュール
0123456
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15. FortRockの出力規則 - サブモジュール -
SUBROUTINE TOP(A, B)
INTEGER A, B, S_OUT
B = A + SUB(A, S_OUT)
RETURN
END
SUBROUTINE SUB(C, D)
D = C * 2
RETURN
END
サブモジュールを利用した
SUBROUTINE
Top
SUB
C D
res fin
32
32
A B
res fin
clk
出力モジュール
0123456
012345
32
32
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16. FortRockの動作 - 入力 -
SUBROUTINE LCM(I, J,
ret_lcm)
INTEGER I, J, IR1, IR2,
IR, ret_lcm
IF(I < J) THEN
IR1 = J
IR2 = I
ELSE
IR1 = I
IR2 = J
ENDIF
IR = IR1 - (IR1/IR2) * IR2
DO WHILE(IR>0)
IR1 = IR2
IR2 = IR
IR = IR1 - (IR1/IR2) * IR2
ENDDO
ret_lcm = I*J/IR2
RETURN
END
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17. FortRockの動作 - LLVM IR -
; Function Attrs: nounwind uwtable
define void @lcm_(i32* noalias nocapture %i, i32* noalias nocapture %j, i32* noalias nocapture
%ret_lcm) unnamed_addr #0 {
entry:
%0 = load i32* %i, align 4, !tbaa !0
%1 = load i32* %j, align 4, !tbaa !0
%2 = icmp slt i32 %0, %1
%. = select i1 %2, i32 %1, i32 %0
%.1 = select i1 %2, i32 %0, i32 %1
%3 = srem i32 %., %.1
%4 = icmp slt i32 %3, 1
br i1 %4, label %"8", label %"7"
"7": ; preds = %entry, %"7"
%5 = phi i32 [ %6, %"7" ], [ %.1, %entry ]
%6 = phi i32 [ %7, %"7" ], [ %3, %entry ]
%7 = srem i32 %5, %6
%8 = icmp slt i32 %7, 1
br i1 %8, label %"8", label %"7"
"8": ; preds = %"7", %entry
%.lcssa = phi i32 [ %.1, %entry ], [ %6, %"7" ]
%9 = mul nsw i32 %1, %0
%10 = sdiv i32 %9, %.lcssa
store i32 %10, i32* %ret_lcm, align 4, !tbaa !0
ret void
}
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18. FortRockの動作 - 出力 - module lcm_opt(clk, res, fin, reg_i,
reg_j, reg_ret_lcm);
input clk, res;
output fin;
reg fin;
input [31:0] reg_i, reg_j;
output [31:0] reg_ret_lcm;
reg reg_tmp2, reg_tmp4, reg_tmp8;
reg [1:0] prev_state, current_state;
reg [31:0] reg_ret_lcm, reg_tmp, reg_tmp1,
reg__,
reg__1, reg_tmp3, reg_tmp6, reg_tmp7,
reg_tmp5, reg_tmp9, reg__lcssa,
reg_tmp10;
always @(posedge clk)
begin
if(res)
begin
fin = 1'b0;
reg_ret_lcm = 32'b0;
prev_state = 2'b0;
current_state = 2'b0;
end // if res
else if(fin == 1'b0)
begin
case (current_state)
2'd0:
begin
reg_tmp = reg_i;
reg_tmp1 = reg_j;
reg_tmp2 = (reg_tmp < reg_tmp1);
reg__ = (reg_tmp2 == 1'b1)
? reg_tmp1 : reg_tmp;
reg__1 = (reg_tmp2 == 1'b1)
? reg_tmp : reg_tmp1;
reg_tmp3 = reg__ % reg__1;
reg_tmp4 = (reg_tmp3 < 1);
prev_state = current_state;
current_state =
(1'b1 == reg_tmp4) ? 2'd2 : 2'd1;
end
2'd1:
begin
case(prev_state)
2'd1 : reg_tmp5 = reg_tmp6;
2'd0 : reg_tmp5 = reg__1;
endcase
case(prev_state)
2'd1 : reg_tmp6 = reg_tmp7;
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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19. FortRockの動作 - 出力回路の動作 -
出力回路の出力波形
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20. JavaRock-Thrashとの比較
JavaRock-Thrashで作成した回路の出力波形
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21. 回路の性能比較
reg lut 動作周波数
[MHz] 処理サイクル数処理時間
[us]
JRT 259 5794 12.8 23 1.79
FortRock 171 3628 13.3 5 0.37
使用デバイス: Virtix7 XC7VX330T
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22. ロードマップ
● FortranのプログラムをLLVM IRに変換
● LLVM IRからすべての命令をVerilogに変換
● 浮動小数点数への対応
● 配列への対応
● レジスタ共有機能の実装
● 性能比較
● 出力結果のビジュアル化機能の実装
● 実践的なプログラムを用いた性能比較
● 最適化技術の実装
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