Du prototypage à l’exploitation d’overlays FPGA

From prototyping to exploitation of FPGA overlays

• Auteur / Autrice : Théotime Bollengier
• Direction : Loïc Lagadec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 15/01/2018
• Etablissement(s) : Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance - Laboratoire des sciences et techniques de l'information- de la communication et de la connaissance / Lab-STICC
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Granado
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginie Fresse, Olivier Muller, Jean-Christophe Le Lann, Erwan Fabiani
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bertrand Granado, Christophe Jego

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes adaptatifs (technologie)

Informatique dans les nuages

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Mots clés libres

Architecture reconfigurable

Overlay FPGA

Virtualisation matérielle

Compatibilité des bitstreams

Migration de tâches matérielles

Ordonnancement de tâches matérielles

Reconfigurable architecture

FPGA overlay

Hardware virtualization

Bitstream compatibility

Hardware task migration

Hardware task scheduling

Résumé

De part leur capacité de reconfiguration et les performances qu’ils offrent, les FPGAs sont de bons candidats pour accélérer des applications dans le Cloud. Cependant, les FPGAs présentent certaines caractéristiques qui font obstacle à leur utilisation dans le Cloud et leur adoption par les clients : premièrement, la programmation des FPGAs se fait à bas niveau et demande une certaine expertise, que n’ont pas nécessairement les clients habituels du Cloud. Deuxièmement, les FPGAs ne présentent pas de mécanismes natifs permettant leur intégration dans le modèle de gestion dynamique d’une infrastructure Cloud.Dans ce travail, nous proposons d’utiliser des architectures overlay afin de faciliter l’adoption, l’intégration et l’exploitation de FPGAs dans le Cloud. Les overlays sont des architectures reconfigurables elles-mêmes implémentée sur FPGA. En tant que couche d’abstraction matérielle placée entre le FPGA et les applications, les overlays permettent de monter le niveau d’abstraction du modèle d’exécution présenté aux applications et aux utilisateurs, ainsi que d’implémenter des mécanismes facilitant leur intégration et leur exploitation dans une infrastructure Cloud.Ce travail présente une approche verticale adressant tous les aspects de la mise en œuvre d’overlays dans le Cloud en tant qu’accélérateurs reconfigurables par les clients : de la conception et l’implémentation des overlays, leur intégration sur des plateformes FPGA commerciales, la mise en place de leurs mécanismes d’exploitation, jusqu’à la réalisationde leurs outils de programmation. L’environnement réalisé est complet, modulaire et extensible, il repose en partie sur différents outils existants, et démontre la faisabilité de notre approche.

Due to their reconfigurable capability and the performance they offer, FPGAs are good candidates for accelerating applications in the cloud. However, FPGAs have some features that hinder their use in the Cloud as well as their adoption by customers : first, FPGA programming is done at low level and requires some expertise that usual Cloud clients do not necessarily have. Secondly, FPGAs do not have native mechanisms allowing them to easily fit in the dynamic execution model of the Cloud.In this work, we propose to use overlay architectures to facilitate FPGA adoption, integration, and operation in the Cloud. Overlays are reconfigurable architectures synthesized on FPGA. As hardware abstraction layers placed between the FPGA and applications, overlays allow to raise the abstraction level of the execution model presented to applications and users, as well as to implement mechanisms making them fit in a Cloud infrastructure.This work presents a vertical approach addressing all aspects of overlay operation in the Cloud as reconfigurable accelerators programmable by tenants : from designing and implementing overlays, integrating them on commercial FPGA platforms, setting up their operating mechanisms, to developping their programming tools. The environment developped in this work is complete, modular and extensible, it is partially based on several existing tools, and demonstrate the feasibility of our approach.