[論文レビュー] RC3E: Provision and Management of Reconfigurable Hardware Accelerators in a Cloud Environment

Oliver Knodel, Rainer G. Spallek|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2015

Embedded Systems Design Techniques参考文献 17被引用数 15

ひとこと要約

RC3Eは、単一の物理FPGAデバイス上でFPGAベースのハードウェアアクセラレータの仮想化およびマルチテント運用を可能にするクラウドサービスモデルとハイパーバイザを提示する。最大4つの仮想ユーザーコアを同時にサポートすることで、リソースの効率的共有と動的再構成を実現し、クラウドベースのHPC環境において性能とエネルギー効率の向上を示している。

ABSTRACT

Heterogeneous systems consisting of general-purpose processors and different types of hardware accelerators are becoming more and more common in HPC systems. Especially FPGAs provide a promising opportunity to improve both performance and energy efficiency of such systems. Adding FPGAs to clouds or data centers allows easy access to such reconfigurable resources. In this paper we present our cloud service models and cloud hypervisor called RC3E, which integrates virtualized FPGA-based hardware accelerators into a cloud environment. With our hardware and software framework, multiple (virtual) user designs can be executed on a single physical FPGA device. We demonstrate the performance of our approach by implementing up to four virtual user cores on a single device and present future perspectives for FPGAs in cloud-based data environments.

研究の動機と目的

• クラウド環境におけるFPGAベースのハードウェアアクセラレータの効率的でスケーラブルかつ安全な共有を実現すること。
• 単一のFPGA上に複数のユーザーデザインの動的リソース割り当てと隔離を実現する課題に対処すること。
• オンデマンドプロビジョニングおよび再構成を可能にするFPGAアクセラレータを支援するクラウドハイパーバイザおよびサービスモデルを設計すること。
• 単一の物理FPGAデバイス上で複数の仮想ユーザーコアを実行する可能性を実証すること。
• 再構成可能なハードウェアアクセラレータをHPCワークロード向けにクラウドデータセンターに統合する方法を検討すること。

提案手法

• RC3Eフレームワークは、単一の物理FPGAデバイス上に複数の仮想FPGA設計を管理および隔離するクラウドハイパーバイザを採用する。
• 動的部分再構成を用いて、他のアクティブな設計に影響を与えずにFPGAの特定領域をランタイムで更新できる。
• 標準化されたクラウドインターフェースを通じてFPGAリソースへの仮想化アクセスをサポートし、オンデマンドプロビジョニングを可能にする。
• ユーザーがFPGAアクセラレータをクラウド内の仮想リソースとして要求・デプロイ・管理できるようにするためのサービスモデルを定義する。
• 仮想コア間のハードウェアレベルの隔離を保証することで干渉を防ぎ、セキュリティを維持する。
• 制御プレーンが再構成およびリソース割り当てをスケジューリングすることで、パフォーマンスおよびリソース利用状況を監視・管理する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラウド環境において、単一の物理FPGAデバイス上に複数の仮想FPGA設計を効率的かつ安全に隔離する方法は何か？
• RQ2 クラウド環境においてFPGAアクセラレータの動的再構成およびオンデマンドプロビジョニングを実現するためのアーキテクチャ的および仮想化技術は何か？
• RQ3 複数の仮想ユーザーコアが1つのFPGAを共有することで得られるパフォーマンスおよびリソース利用状況の向上はどの程度か？
• RQ4 クラウドハイパーバイザは、FPGAベースのアクセラレータのライフサイクル（デプロイ、再構成、終了）をどのように管理できるか？
• RQ5 マルチテントクラウドインfraストラクチャにおいてFPGAアクセラレータの仮想化の実用的制限およびスケーラビリティ特性は何か？

主な発見

• RC3Eフレームワークは、単一の物理FPGAデバイス上で最大4つの仮想ユーザーコアを同時に実行することに成功している。
• 動的部分再構成により、他のアクティブな仮想コアに影響を与えずに個々の設計領域をランタイムで更新できる。
• 複数のテントが1つのFPGAを共有しながらも、隔離とパフォーマンス保証を維持できるため、リソース利用効率が向上している。
• クラウドハイパーバイザモデルにより、標準的なクラウドインターフェースを通じてFPGAアクセラレータのオンデマンドプロビジョニングおよび管理が可能になっている。
• 仮想化されたクラウド環境で再構成可能なハードウェアを活用することで、HPCワークロードにおけるエネルギー効率とパフォーマンスが向上している。
• 実装は、異種コンピューティング向けにFPGAアクセラレータをクラウドベースのデータセンターに統合する可能性とスケーラビリティを示している。