[논문 리뷰] OpenHEC: A Framework for Application Programmers to Design FPGA-based Systems

Zhilei Chai, Zhibin Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 21.

Parallel Computing and Optimization Techniques참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

OpenHEC는 하드웨어 전문 지식이 거의 없는 애플리케이션 프로그래머가 저수준 하드웨어 세부 정보를 추상화함으로써 FPGA 기반 시스템을 설계할 수 있도록 돕는 고수준 프레임워크이다. Xilinx ISE/Vivado와 통합되어, 알고리즘의 직접 구현을 가능하게 하며, 기능 검출 알고리즘을 통해 사용성과 성능 향상을 입증하였다. FPGA나 하드웨어 아키텍처 지식이 필요로 하지 않는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 애플리케이션 수준의 소프트웨어 프로그래머가 깊은 하드웨어 지식 없이도 FPGA 기반 시스템을 설계할 수 있도록 하는 것.
• 응용 개발자와 FPGA 하드웨어 사이의 격차를 해소하기 위해 고수준 추상화 프레임워크를 제공함으로써 다리 역할을 하는 것.
• 기존 상용 FPGA 툴체인(예: Xilinx ISE/Vivado)과 원활하게 통합되어 즉각적인 사용이 가능하도록 하는 것.
• 실제 알고리즘 구현을 통해 프레임워크의 적용 가능성을 입증하는 것, 예를 들어 기능 검출과 같은 알고리즘.
• 저전력 소비를 유지하면서도 효율적이고 고성능의 FPGA에서의 컴퓨팅을 지원하는 것.

제안 방법

• OpenHEC 프레임워크는 레지스터 전송, 메모리 계층, 병렬 처리 관리와 같은 FPGA 전용 하드웨어 세부 정보를 추상화하는 고수준 프로그래밍 인터페이스를 제공한다.
• Xilinx ISE 및 Vivado 툴체인과 통합되어 FPGA 플랫폼에서의 직접 합성 및 구현을 가능하게 한다.
• C/C++ 유사 프로그래밍 구조를 지원하여 애플리케이션 개발자가 익숙한 소프트웨어 스타일로 알고리즘을 표현할 수 있도록 한다.
• 자동 고수준 합성 기법을 사용하여 고수준 알고리즘 구조를 최적화된 하드웨어 아키텍처로 자동 매핑한다.
• FPGA 실행에 맞는 런타임 및 컴파일 타임 최적화를 통해 데이터 플로우와 병렬 처리를 관리한다.
• 소프트웨어 접근 가능한 API를 통해 하드웨어 자원을 노출하여 소프트웨어 로직과 하드웨어 가속기 간의 원활한 상호작용을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FPGA 전문 지식이 없는 애플리케이션 프로그래머가 FPGA 플랫폼에서 복잡한 알고리즘을 효율적으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 고성능과 전력 효율성을 유지하면서도, 고수준 프레임워크가 저수준 하드웨어 복잡성을 얼마나 효과적으로 추상화할 수 있는가?
• RQ3 기존 하드웨어 중심 설계 흐름에 비해 OpenHEC가 FPGA 기반 시스템 개발의 장벽을 얼마나 줄이는가?
• RQ4 상용 FPGA 툴체인과의 통합을 통해 즉각적인 배포와 사용 가능성을 확보할 수 있는가?
• RQ5 컴퓨터 비전 알고리즘과 같은 실제 컴퓨팅 워크로드에 적용했을 때 프레임워크의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• OpenHEC 프레임워크는 하드웨어 지식이 거의 없는 애플리케이션 프로그래머가 FPGA 기반 가속기 구현을 성공적으로 수행할 수 있도록 한다.
• 광범위하게 사용되는 기능 검출 알고리즘이 OpenHEC에 성공적으로 구현되어 실용적 적용 가능성을 입증하였다.
• 프레임워크는 저수준 FPGA 세부 정보를 추상화하여 개발자가 하드웨어 구현보다 알고리즘 논리에 집중할 수 있도록 한다.
• Xilinx ISE/Vivado와의 통합을 통해 즉각적인 배포와 툴체인 호환성이 보장된다.
• 이 접근법은 FPGA 프로그래밍의 개발 장벽을 감소시켜 소프트웨어 중심의 애플리케이션 개발자들이 하드웨어 가속을 쉽게 이용할 수 있도록 한다.
• 프레임워크는 고성능과 저전력 소비를 유지하여 임베디드 시스템 요구사항과 부합한다.