[论文解读] 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 15

一句话总结

RC3E 提出了一种云服务模式和虚拟机监控器（hypervisor），使得单个物理FPGA设备上能够虚拟化、多租户地执行基于FPGA的硬件加速器。通过同时支持最多四个虚拟用户核心，该框架实现了高效的资源共享与动态重配置，在基于云的高性能计算（HPC）环境中展现出更高的性能和能效。

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.

研究动机与目标

• 在云环境中实现FPGA硬件加速器的高效、可扩展且安全的资源共享。
• 解决在单个FPGA上为多个用户设计动态分配资源并实现隔离的挑战。
• 设计一种支持FPGA加速器按需部署与重配置的云虚拟机监控器及服务模型。
• 证明在单个物理FPGA设备上运行多个虚拟用户核心的可行性。
• 探索可重构硬件加速器集成到云数据中心以支持HPC工作负载的可行性。

提出的方法

• RC3E框架采用云虚拟机监控器，用于在单个物理FPGA设备上管理并隔离多个虚拟FPGA设计。
• 利用动态部分重配置技术，实现在不影响其他活跃设计的前提下，对FPGA特定区域进行运行时更新。
• 通过标准化的云接口支持对FPGA资源的虚拟化访问，实现按需部署。
• 定义服务模型，使用户能够请求、部署并管理云中的FPGA加速器作为虚拟化资源。
• 架构确保虚拟核心之间的硬件级隔离，防止干扰并保障安全性。
• 通过控制平面调度重配置与资源分配，对性能与资源利用率进行监控与管理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在云环境中，如何在单个物理FPGA设备上高效且安全地隔离多个虚拟FPGA设计？
• RQ2 在云环境中支持FPGA加速器的动态重配置与按需部署，需要哪些体系结构与虚拟化技术？
• RQ3 通过在多个虚拟用户核心之间共享单一FPGA，能够实现怎样的性能与资源利用率提升？
• RQ4 云虚拟机监控器如何管理基于FPGA的加速器的生命周期，包括部署、重配置与终止？
• RQ5 在多租户云基础设施中虚拟化FPGA加速器的实际限制与可扩展特性是什么？

主要发现

• RC3E框架成功实现了在单个物理FPGA设备上同时运行最多四个虚拟用户核心。
• 动态部分重配置支持对单个设计区域进行运行时更新，而不会干扰其他活跃的虚拟核心。
• 通过允许多个租户共享单一FPGA，同时保持隔离与性能保障，系统实现了高效的资源利用率。
• 云虚拟机监控器模型通过标准云接口实现了FPGA加速器的按需部署与管理。
• 通过在虚拟化云环境中利用可重构硬件，该方法在HPC工作负载中展现出更高的能效与性能。
• 实现结果表明，将FPGA加速器集成到基于云的数据中心以支持异构计算，具备可行性与可扩展性。