[논문 리뷰] RC3E: Provision and Management of Reconfigurable Hardware Accelerators in a Cloud Environment

Oliver Knodel, Rainer G. Spallek|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 27.

Embedded Systems Design Techniques참고 문헌 17인용 수 15

한 줄 요약

RC3E는 단일 물리적 FPGA 장치에서 가상화된 다중 멀티테넌트 실행을 가능하게 하는 클라우드 서비스 모델과 히퍼바이저를 제안한다. 최대 네 개의 가상 사용자 코어를 동시에 지원함으로써 자원 공유와 동적 재구성의 효율성을 달성하며, 클라우드 기반 HPC 환경에서 성능과 에너지 효율성이 향상됨을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 클라우드 환경에서 FPGA 기반 하드웨어 가속기의 효율적이고 확장 가능하며 안전한 공유를 가능하게 하기 위해.
• 단일 FPGA에 여러 사용자 설계를 위한 동적 자원 할당 및 격리 문제를 해결하기 위해.
• 요청 시 가속기 프로비저닝과 재구성을 지원하는 클라우드 히퍼바이저 및 서비스 모델을 설계하기 위해.
• 단일 물리적 FPGA 장치에 여러 가상 사용자 코어를 동시에 실행할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 재구성 가능한 하드웨어 가속기를 클라우드 데이터센터에 통합하여 HPC 워크로드에 활용할 수 있는 방법을 탐색하기 위해.

제안 방법

• RC3E 프레임워크는 단일 물리적 FPGA 장치에 여러 가상 FPGA 설계를 관리하고 격리하기 위해 클라우드 히퍼바이저를 활용한다.
• 실행 중인 특정 영역의 재구성을 허용하기 위해 동적 부분 재구성 기법을 사용한다. 이는 다른 활성 가상 설계에 영향을 주지 않도록 한다.
• 표준화된 클라우드 인터페이스를 통한 FPGA 자원에 대한 가상화된 접근을 지원하여 요청 시 자원 할당을 가능하게 한다.
• 사용자가 FPGA 가속기를 클라우드 내의 가상 자원으로 요청, 배포 및 관리할 수 있도록 서비스 모델을 정의한다.
• 가상 코어 간 하드웨어 수준의 격리를 보장하여 간섭을 방지하고 보안을 유지한다.
• 제어 평면을 통해 성능 및 자원 활용도를 모니터링하고 관리하며, 재구성 및 할당을 스케줄링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클라우드 환경에서 단일 물리적 FPGA 장치에 여러 가상 FPGA 설계를 효율적이고 안전하게 격리할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 클라우드 환경에서 FPGA 가속기의 동적 재구성 및 요청 시 프로비저닝을 지원하기 위해 필요한 아키텍처 및 가상화 기법은 무엇인가?
• RQ3 여러 가상 사용자 코어가 단일 FPGA를 공유함으로써 달성할 수 있는 성능 및 자원 활용도 향상 정도는 무엇인가?
• RQ4 클라우드 히퍼바이저는 FPGA 기반 가속기의 수명 주기(배치, 재구성, 종료 등)를 어떻게 관리할 수 있는가?
• RQ5 다중 멀티테넌트 클라우드 인fra에서 FPGA 가속기의 가상화에 대한 실용적 제약 조건과 확장성 특성은 무엇인가?

주요 결과

• RC3E 프레임워크는 단일 물리적 FPGA 장치에 최대 네 개의 가상 사용자 코어를 동시에 실행하는 데 성공했다.
• 동적 부분 재구성 기법을 통해 다른 활성 가상 코어에 영향을 주지 않으면서도 개별 설계 영역의 런타임 업데이트가 가능하다.
• 다양한 테넌트가 단일 FPGA를 공유하면서도 격리와 성능 보장을 유지함으로써 자원 활용도를 효율적으로 달성한다.
• 클라우드 히퍼바이저 모델을 통해 표준 클라우드 인터페이스를 통해 FPGA 가속기의 요청 시 프로비저닝 및 관리가 가능하다.
• 가상화된 클라우드 환경에서 재구성 가능한 하드웨어를 활용함으로써 HPC 워크로드에 대한 에너지 효율성과 성능 향상이 입증되었다.
• 실현 가능성과 확장성을 입증하여, 이중 컴퓨팅을 위한 클라우드 기반 데이터센터에 FPGA 가속기를 통합하는 데 유용하다.