PoCo：通过共享的多生产者多消费者缓冲区支持扩展任务并行的高性能流处理（HLS）编程

《ACM Transactions on Reconfigurable Technology and Systems》：PoCo: Extending Task-Parallel HLS Programming with Shared Multi-Producer Multi-Consumer Buffer Support

高效内存利用与异构FPGA加速器设计的MPMC框架研究，提出PoCo框架通过共享缓冲区、延迟不敏感通信和智能布局策略，实现任务级并行系统的高效资源管理，实验显示内存利用率降低50%且频率提升1.5倍。

　　

摘要

高级综合（HLS）工具的进步使得在FPGA上实现任务级并行成为可能。然而，现有的框架主要采用单生产者单消费者（SPSC）模型进行任务通信，这限制了应用场景的范围。随着任务并行系统中任务数量的增加，设计分析变得更为复杂。为现有设计添加新功能通常需要重新配置多个任务接口、重新设计整体任务间连接，并描述新的布局方案。本文提出了一种名为PoCo的新框架，用于在任务并行系统中设计可扩展的多生产者多消费者（MPMC）模型。PoCo引入了共享缓冲区抽象机制，以便动态且高带宽地访问片上共享内存资源；它采用了对延迟不敏感的通信方式，并实施了基于布局的优化设计策略来减轻路由拥塞问题。前端提供了便捷的API来访问缓冲区内存，而后端则具备优化过的流水线数据路径。实证评估表明，在SPSC模型中，PoCo能够将片上内存利用率降低多达50%，同时不会影响性能。此外，针对三个不同实际应用的案例研究显示，在异构FPGA加速器设计中，PoCo实现了最高1.5倍的频率提升和更简化的数据流管理。