Περιβάλλον Αλγοριθμικών Μετασχηματισμών Συνεπεξεργαστών Υλικού Με Opencl Και Συσχετισμός Αρχιτεκτονικών Fpga Και Gpu

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη και η παραλληλοποίηση τουαλγορίθμου της οπισθοπροβολής κάνοντας χρήση της γλώσσας προγραμματισμούOpenCL, καθώς επίσης και η αξιοποίηση των διαφόρων ευκαιριών υλοποίησης πουπροσφέρονται από το εργαλείο ανάπτυξης Altera SDK για την OpenCL. Οι προτεινόμενεςυλοποιήσεις κώδικα εκτελούνται σε CPUs, GPUS και σε έναν FPGA. Η διπλωματικήχωρίζεται σε έξι τμήματα.Στο πρώτο τμήμα, παρέχεται το θεωρητικό υπόβαθρο για τις αρχές του παράλληλουπρογραμματισμού και των ετερογενών αρχιτεκτονικών. Επιπρόσθετα, δίδεται μιαπλήρης περιγραφή του προτύπου OpenCL, επεξηγώντας τα μοντέλα εκτέλεσης, μνήμης,προγραμματισμού και πλατφόρμας της OpenCL.Στο δεύτερο τμήμα παρέχεται μια θεωρητική περιγραφή των συσκευών FPGA και τωνπλεονεκτημάτων τους καθώς και η επεξήγηση του υλικού τους και η σπουδαιότητα τηςχρήσης τους για τις OpenCL εφαρμογές.Το τρίτο τμήμα αναλύει το θεωρητικό υπόβαθρο του αλγορίθμου οπισθοπροβολής καιφιλτραρισμένης οπισθοπροβολής, που χρησιμοποιείται για την ανακατασκευή ιατρικήςεικόνας. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεται η τεχνική του αλγορίθμου τηςοπισθοπροβολής, από την οποία παράγονται δισδιάστατες εικόνες από δεδομέναπροβολών, καθώς και η μαθηματική περιγραφή των προβολών μέσω του αλγορίθμουRadon. Επιπρόσθετα, παρέχεται η συνεχής ανάλυση του αλγορίθμου.Στο τέταρτο τμήμα, αναφέρεται ο διακριτός αλγόριθμος οπισθοπροβολής για εφαρμογέςψηφιακών κυκλωμάτων και αναλύονται και οι πέντε συσκευές που χρησιμοποιούνταιγια την εφαρμογή των προτεινόμενων παράλληλων υλοποιήσεων. Συγκεκριμένα,περιγράφεται το Altera Cyclone V SoC FPGA που χρησιμοποιείται στην πλακέτα TerasicDE1-SoC καθώς και το εργαλείο ανάπτυξης λογισμικού της Altera για OpenCL, το οποίοχρησιμοποιείται για τις υλοποιήσεις. Ακόμα, περιγράφεται η αρχιτεκτονική των δύοχρησιμοποιούμενων CPUs (Intel Core i7, Intel Core i5) και των δύο χρησιμοποιούμενωνGPUs (AMD FirePro M5100, NVIDIA GeForce 310M).Το πέμπτο τμήμα, παρουσιάζει τα τέσσερα προτεινόμενα σχήματα κώδικα (Direct, DirectWorkgroup, Direct Tiles and Direct Recursive) και τις δυνατότητες εφαρμογής τους πουερευνήθηκαν μαζί με τα πειραματικά αποτελέσματά τους στις πέντε υπολογιστικέςσυσκευές.Στο έκτο τμήμα, συνοψίζονται τα αποτελέσματα της διπλωματικής εργασίας καιπαρέχονται στον αναγνώστη συγκρίσεις ανάμεσα στις διαφορετικές υλοποιήσειςκώδικα που παρουσιάζονται, με βάση τους χρόνους εκτέλεσης σε όλες τις υλοποιήσειςγια όλα τα μεγέθη προβολών. Πιο συγκεκριμένα, γίνονται συγκρίσεις με βάση τηνκατανάλωση ενέργειας, τις διαφορετικές υπολογιστικές συσκευές, τον αριθμό τωνπροβολών και τα μεγέθη διαίρεσης και προτείνεται η καλύτερη υλοποίηση με τηνκαλύτερη επιτάχυνση.Τέλος, το έβδομο τμήμα αποτελεί τον επίλογο με τα συμπεράσματα της παρούσηςδιπλωματικής εργασίας και παρέχει προτάσεις για θέματα μελλοντικής εργασίας.