从算力瓶颈到硬件加速：解决方案实战

📚 共计 30 章节

算力瓶颈的根源

从摩尔定律失效到功耗墙、存储墙、暗硅效应的全面解析。

瓶颈分析功耗墙

硬件加速的哲学

从通用计算到专用计算的范式转移，以及软硬件协同设计的核心思想。

范式转移软硬件协同

数字电路基础补强

组合逻辑与时序逻辑、时钟与复位、建立时间与保持时间。

时序逻辑建立时间

硬件描述语言入门

Verilog/VHDL基础语法、模块化设计、Testbench编写。

VerilogTestbench

流水线设计

经典5级流水线、流水线冒险（结构/数据/控制）、流水线优化技巧。

流水线冒险

并行计算基础

Flynn分类法（SISD/SIMD/MISD/MIMD）、数据级并行与任务级并行。

存储层次与数据局部性

Cache原理、缓存一致性协议、数据预取与DMA。

数字信号处理基础

FFT、FIR/IIR滤波器的硬件实现思路。

神经网络基础

卷积、池化、全连接层的计算模式与数据流分析。

卷积数据流

量化与压缩

模型量化（INT8/INT4）、剪枝、知识蒸馏对硬件的影响。

脉动阵列架构

Systolic Array原理、矩阵乘法加速、Google TPU案例分析。

脉动阵列TPU

数据流架构

空间架构与时间架构、Reconfigurable Dataflow、Spatial Architecture。

数据流可重构

FPGA架构基础、HLS（高层次综合）实战、OpenCL for FPGA。

CUDA编程模型、Warp调度、Shared Memory优化、Tensor Core。

CUDATensor Core

ASIC设计流程

从RTL到GDSII、逻辑综合、布局布线、时序收敛。

ASIC时序收敛

片上网络（NoC）

Mesh/Torus拓扑、路由算法、流控机制。

存算一体技术

近存计算（Near-Memory）与存内计算（In-Memory）的原理与挑战。

近存计算存内计算

光互连与先进封装

Chiplet技术、2.5D/3D封装、硅光子互连。

Chiplet3D封装

编译器与硬件协同

TVM、MLIR、XLA等编译栈如何生成高效硬件代码。

侧信道攻击、硬件木马、可信执行环境（TEE）。

验证方法论

UVM验证平台、覆盖率驱动验证、形式化验证。

性能建模与评估

Roofline模型、Amdahl定律、Gustafson定律。

低功耗设计

时钟门控、电源门控、DVFS、多电压域。

时钟门控DVFS

可重构计算

Coarse-Grained Reconfigurable Array (CGRA) 架构。

模拟与混合信号加速

ADC/DAC、模拟计算、随机计算。

模拟计算随机计算

量子计算与硬件加速

量子门、量子退火、当前硬件限制。

量子门退火

边缘AI加速器

低功耗设计、模型压缩、NPU架构。

数据中心加速

SmartNIC、DPU、可编程交换机。

自动驾驶硬件

传感器融合、点云处理、功能安全（ISO 26262）。

传感器融合ISO 26262

超越CMOS器件、神经形态计算、光子计算。

神经形态光子计算