[論文レビュー] OpenHEC: A Framework for Application Programmers to Design FPGA-based Systems

Zhilei Chai, Zhibin Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2014

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

OpenHEC は、低レベルのハードウェア詳細を抽象化することで、ハードウェア知識がほとんどないアプリケーションプログラマーが FPGA ベースのシステムを設計できる高水準のフレームワークである。Xilinx ISE/Vivado と統合されており、特徴検出アルゴリズムの実装例を通じて、FPGA やハードウェアアーキテクチャの知識が不要な状態で、使いやすさとパフォーマンスの向上が実証されている。

ABSTRACT

Today, there is a trend to incorporate more intelligence (e.g., vision capabilities) into a wide range of devices, which makes high performance a necessity for computing systems. Furthermore, for embedded systems, low power consumption should be generally considered together with high computing performance. FPGAs, as programmable logic devices able to support different types of fine-grained parallelisms, their power and performance advantages were recognized widely. However, designing applications on FPGA-based systems is traditionally far from a task can be carried out by software programmers. Generally, hardware engineers and even system-level software engineers have more hardware/architectural knowledge but fewer algorithm and application knowledge. Thus, it is critical for computing systems to allow application-level programmers to realize their idea conveniently, which is popular in computing systems based on the general processor. In this paper, the OpenHEC (Open Framework for High-Efficiency Computing) framework is proposed to provide a design framework for application-level software programmers to use FPGA-based platforms. It frees users from hardware and architectural details to let them focus more on algorithms/applications. This framework was integrated with the commercial Xilinx ISE/Vivado to make it to be used immediately. After implementing a widely-used feature detection algorithm on OpenHEC from the perspective of software programmers, it shows this framework is applicable for application programmers with little hardware knowledge.

研究の動機と目的

• FPGA やハードウェアアーキテクチャの深い知識がなくても、アプリケーションレベルのソフトウェアプログラマーが FPGA ベースのシステムを設計できるようにすること。
• 高水準の抽象化フレームワークを提供することで、アプリケーション開発者と FPGA ハードウェアの間のギャップを埋めること。
• Xilinx ISE/Vivado などの既存の商用 FPGA ツールチェインとシームレスに統合され、即時利用可能な状態を確保すること。
• 実世界のアルゴリズム実装（例：特徴検出）を通じて、フレームワークの適用可能性を示すこと。
• 低消費電力でありながら、効率的で高パフォーマンスなコンピューティングを FPGA で実現し、組み込みシステムの要件に適合させること。

提案手法

• OpenHEC フレームワークは、レジスタ転送、メモリ階層、並列処理管理といった FPGA 特有のハードウェア詳細を抽象化する高水準のプログラミングインターフェースを提供する。
• Xilinx ISE および Vivado ツールチェインと統合され、FPGA プラットフォームへの直接合成と実装を可能にする。
• C/C++ に類似したプログラミング構文をサポートしており、アプリケーション開発者がなじみのあるソフトウェアスタイルでアルゴリズムを記述できる。
• 自動的高水準合成技術を用いて、高水準のアルゴリズム的構造を最適化されたハードウェアアーキテクチャに自動マッピングする。
• FPGA 実行に最適化されたランタイムおよびコンパイル時最適化を通じて、データフローと並列処理を管理する。
• ソフトウェアからアクセス可能な API を通じてハードウェアリソースを公開し、ソフトウェア論理とハードウェアアクセラレータとのシームレスな連携を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FPGA 専門知識のないアプリケーションプログラマーが、FPGA プラットフォーム上で複雑なアルゴリズムを効率的に実装できるか。
• RQ2 高水準フレームワークが低レベルのハードウェア複雑性を抽象化しながら、パフォーマンスと効率性を維持できるか。
• RQ3 従来のハードウェア中心の設計フローと比較して、OpenHEC が FPGA ベースのシステム開発の障壁をどの程度低減できるか。
• RQ4 商用 FPGA ツールチェインと統合可能で、即時のデプロイと利用可能性を確保できるか。
• RQ5 コンピュータビジョンアルゴリズムのような実世界の計算ワークロードに適用した場合、フレームワークの性能はいかが。

主な発見

• OpenHEC フレームワークは、ハードウェア知識がほとんどないアプリケーションプログラマーが FPGA ベースのアクセラレータを実装できることが成功裏に実証された。
• 広く使われている特徴検出アルゴリズムが OpenHEC 上で成功裏に実装され、実用的応用可能性が示された。
• フレームワークは低レベルの FPGA 詳細を抽象化しており、開発者がハードウェア実装ではなくアルゴリズム論理に集中できる。
• Xilinx ISE/Vivado との統合により、即時のデプロイとツールチェイン互換性が実現された。
• FPGA プログラミングの開発障壁が低減され、ソフトウェア中心のアプリケーション開発者にとってハードウェアアクセラレーションが利用可能になった。
• フレームワークは高いパフォーマンスと低消費電力の両方を維持しており、組み込みシステムの要件に適合している。