我們正在迅速接近百萬兆次級時代，幾乎沒有工具和基礎設施來幫助我們構建面向未來的軟件/硬件共同設計的生態系統。我們不能再等待新的硬件來開發軟件。同樣，為了滿足這些百萬兆次級及以上系統的性能和功耗目標，我們必須以共同設計系統的形式利用專業化，這意味著硬件和軟件必須一起設計，而不是孤立地設計。

專業化還將開源生態系統擴展到具有開放ISA的硬件中，如RISC-V，它定義了軟件級別互操作性的基本標準，而且還具有專業化架構以包括新的應用程序功能和硬件支持的靈活性。這項新功能正在開創一個令人興奮的系統設計、全棧研發（包括構建專用硬件）的新時代。MareNostrum 百萬兆次級實驗平臺 （MEEP） 是第一步，它支持一個靈活的硬件平臺，我們可以使用該平臺映射或模擬各種不同的架構進行開發，包括硬件和軟件。

BSC 正在構建各種軟件和硬件組件，以實現開源軟件和硬件 HPC 生態系統。我們正在構建開源軟件的豐富歷史，并將其擴展到基于RISC-V指令集架構（ISA）的開源硬件。MEEP支持使用FPGA快速評估硬件架構。這是通往開放式 HPC 生態系統（包括硬件和軟件）的眾多步驟之一。此外，MEEP也是一種軟件開發工具，與軟件模擬不同，它允許我們以合理的速度運行整個軟件堆棧以進行交互式開發。MEEP是我們的數字實驗室，用于設計，測試和評估未來的百萬兆次級加速器和系統，真正的軟件/硬件協同設計。

與軟件不同，硬件開發成本非常昂貴，錯誤成本也非常昂貴，尤其是在芯片制造方面。MEEP提供了一種以靈活性換取性能的機制。我們正在使用 FPGA 構建 MEEP，FPGA 是一種靈活的硬件組件或結構，可以一遍又一遍地重新編程。它允許我們像對待軟件一樣對待硬件，具有與軟件相同的靈活性，我們可以重新編譯硬件描述語言以創建新的硬件設計以映射到FPGA結構上。MEEP基礎設施軟件和FPGA使硬件仿真更像傳統的軟件開發。此外，MEEP可以用于的不僅僅是一個仿真項目，即MEEP的第一個演示器，一個百萬兆次級加速器。MEEP可以模擬其他加速器設計以及CPU。我們還可以使用相同的 FPGA 基礎設施支持基于 FPGA 的加速器。

構建百萬兆次級加速器仿真器

MEEP結合了三個主要組件：軟件，架構和RTL，以及硬件組件，形成一個完整的系統仿真平臺。第一個部署將是用于HPC和高性能數據分析（HPDA）應用程序的百萬兆次級加速器。因此，我們收集了 HPC、AI、ML 和 DL 應用程序，以實現加速。

基于此基準測試套件，我們分析應用程序并定義針對這些應用程序優化的架構。使用定義的架構，我們可以編寫 RTL，即描述硬件的代碼。在真正的協同設計實踐中，我們可以靈活地在堆棧中的任何級別、軟件堆棧和硬件的任何層進行更改。這是一種新的靈活性水平，可以為問題提供最佳的整體解決方案，而不是局限于僅軟件更改和/或僅仿真驗證。

最后，我們將軟件和架構以及 RTL 結合起來，并將其映射到模擬器上。這是一個由大約 100 個 CPU 和 FPGA 組成的系統。這種規模可實現超出正常單芯片評估的更大規模系統研究。CPU 和 FPGA 的組合為將邏輯仿真器映射到物理資源提供了額外的靈活性。我們可以使用百萬兆次級加速器或我們映射到 MEEP 的任何其他系統的邏輯定義來模糊物理硬件的界限。此外，我們正在使用傳統的加速器架構，可以在初始項目之外進行大規模研究。FPGA 是提供這種靈活性的基本構建模塊。我們基本上以兩種不同的方式部署FPGA：FPGA Shell和FPGA仿真器。我們將 FPGA 外殼 定義為 FPGA 內存 和 I/O 接口。FPGA 外殼包含所有 FPGA 設計中的所有通用基礎設施。FPGA 結構其余部分剩余的 FPGA 資源可用于仿真和/或加速器設計。

HPC 應用程序，包括新興的 AI、ML 和 DL 工作負載。MEEP將使我們能夠展望未來，并在新硬件可用之前展示事物如何工作。這種硅前驗證將通過提高 RTL 的質量并消除錯誤來節省大量資金。

MEEP提供了一個獨特的機會，可以實現新硬件及其相關硬件的系統級軟件開發。我們正在構建一個緊密耦合的加速器，該加速器超越了傳統的 HPC 應用程序，包括新興的 AI、ML 和 DL 工作負載。MEEP將使我們能夠展望未來，并在新硬件可用之前展示事物如何工作。這種硅前驗證將通過提高 RTL 的質量并消除錯誤來節省大量資金。MEEP還將支持新系統的軟件開發，從而實現新硬件和軟件的并行開發。這對于軟件開發尤其重要，否則必須等待新硬件可用。在這兩種情況下，我們都可以通過并行化硬件和軟件開發來縮短開發時間，并通過在更大的規模上運行系統來提高整體軟件和硬件質量。

審核編輯：郭婷