Minicurso WSCAD 2010

ContextualizacaoSistemas Hıbridos Reconfiguraveis

AplicacoesDesenvolvimento Hıbrido

Caso: XD1 INPE

Minicurso WSCAD-SSC 2009

Computacao Heterogenea de Alto Desempenhocom FPGAs

Andrea Charao1 Vitor Gomes1,2 Haroldo de Campos Velho2

1LSC - Laboratorio de Sistemas de ComputacaoUFSM - Universidade Federal de Santa Maria

2LAC - Laboratorio Associado de Computacao e Matematica AplicadaINPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

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Caso: XD1 INPE

1 ContextualizacaoComputacao Heterogenea/HıbridaFPGA vs. GPU?

2 Sistemas Hıbridos Reconfiguraveis

3 Aplicacoes

4 Desenvolvimento HıbridoO que executar no FPGA?AbordagensFluxo de DesenvolvimentoDesafios

5 Caso: XD1 INPEEquipamentoAplicacoesDesenvolvimento

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Caso: XD1 INPE

Computacao Heterogenea/HıbridaFPGA vs. GPU?

Computacao Heterogenea/HıbridaContextualizacao

Utiliza multiplos tipos deelementos de processamento(CPU, GPU, FPGA, etc)

Cada elemento processa atarefa mais adequada

Objetivo: aumento dedesempenho Figura: Computacao Hıbrida

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Caso: XD1 INPE


Computacao Heterogenea/HıbridaContextualizacao

Utiliza multiplos tipos deelementos de processamento(CPU, GPU, FPGA, etc)

Cada elemento processa atarefa mais adequada

Objetivo: aumento dedesempenho

Figura: Computacao HıbridaReconfiguravel (FPGA)

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Caso: XD1 INPE


Um pouco de historiaComputacao Hıbrida Reconfiguravel

Imaginado por Gerald Estrin em 62

Arquitetura Fixed-Plus-Variable

FPGAs disponıveis em 85 (Xilinx)

Primeiro Computador HıbridoReconfiguravel (91): AlgotronixCHS2X4

Tecnologia comprada pela Xilinx em93

Figura: Algotronix CHS2X45 / 38



Caso: XD1 INPE


FPGA vs. GPU?Google Trends

Figura: Google Trends

Figura: Google Trends:Regions

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Caso: XD1 INPE


FPGA vs. GPU?SBAC-PAD Trends

SBAC-PAD’09

FPGA: 1

GPU: 5

WSCAD-SSC’09

FPGA: 6

GPU: 4

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Caso: XD1 INPE


FPGA vs. GPU?Caracterısticas

FPGA

Arquitetura customizada paraa aplicacao

Baixa frequencia

Baixo consumo de energia

Desenvolvimento ”difıcil”

Comunicacao e crıtica

GPU

Aplicacao precisa se adequara arquitetura

Alta frequencia

Alto consumo de energia

Desenvolvimento ”facil”

Comunicacao e crıtica

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Caso: XD1 INPE

Cray XD1Blade Cray XR1Blade SGI RASC RC100Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICITConvey HC-1

Sistemas Hıbridos Reconfiguraveis



3 Aplicacoes



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Caso: XD1 INPE


Cray XD1Sistemas Hıbridos Reconfiguraveis

Lancado em 2004

6x blades2 AMD Opteron 64bits1 FPGA Xilinx Virtex II Pro

Figura: Cray XD1

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Caso: XD1 INPE


Cray XD1Sistemas Hıbridos Reconfiguraveis

Lancado em 2004

6x blades2 AMD Opteron 64bits1 FPGA Xilinx Virtex II Pro

Figura: Cray XD1

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Caso: XD1 INPE


Blade Cray XR1Sistemas Hıbridos Reconfiguraveis

Solucao generica da Cray

1 AMD Opteron

2 FPGAs Xilinx Virtex 4

Compatıvel com XT3, XT4 eXT5

Figura: Blade Cray XR1

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Caso: XD1 INPE


Blade SGI RASC RC100Sistemas Hıbridos Reconfiguraveis

Solucao generica da SGI

2 FPGAs Xilinx Virtex 4

Conectado diretamente aobarramento

Compatıvel com SGI Altix4700 e Altix 450

Figura: SGI RASC RC100

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Caso: XD1 INPE


Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICITSistemas Hıbridos Reconfiguraveis

Arquitetura IMPLICIT +EXPLICIT

SRC Carte ProgrammingEnvironment

Figura: Arquitetura SRC IMPLICIT +EXPLICIT

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Caso: XD1 INPE


Convey HC-1Sistemas Hıbridos Reconfiguraveis

Arquitetura hıbrida recente(SC’09)

Green computing

Convey compiler

Figura: Convey HC-1

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Mitrionics: Information RetrievalOAK Ridge National Laboratory

Aplicacoes



3 Aplicacoes



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Caso: XD1 INPE


Mitrionics: Information Retrieval

Information Retrieval

”University of Glasgow Researchers Attain 20x Acceleration and 90%Power Savings for Information Retrieval Application.”

W. Vanderbauwhede, L. Azzopardi, and M. Moadeli.FPGA-Acclerated Information Retrieval: High-EfficiencyDocument Filtering . In: FPL09 Prague - 19th InternationalConference on Field Programmable Logic and Applications, Sep.2009

Filtragem de grandes quantidades de documentos

SGI RASC RC100

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OAK Ridge National Laboratory

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Caso: XD1 INPE


OAK Ridge National LaboratoryOnde estao executando?

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OAK Ridge National LaboratoryResultados

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O que executar no FPGA?AbordagensFluxo de DesenvolvimentoDesafios

Desenvolvimento Hıbrido



3 Aplicacoes



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O que executar no FPGA?Desenvolvimento Hıbrido

Nucleos computacionalmente intensivos

Custo de comunicacao vs Custo processamento

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AbordagensDesenvolvimento Hıbrido

Figura: CPU ou FPGA Figura: CPU e FPGA

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Fluxo de DesenvolvimentoDesenvolvimento Hıbrido

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DesafiosDesenvolvimento Hıbrido

Comunicacao CPU - FPGA (Custo e abordagens)

Ponto Flutuante (area disponıvel no FPGA, N ciclos)

Utilizacao eficiente da hierarquia de memoria

Duplo paradigma

Particionamento de carga entre CPU e FPGA

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EquipamentoAplicacoesDesenvolvimento

EquipamentoCaso: XD1 INPE

Adquido pelo INPE em 2005

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Caso: XD1 INPE


AplicacoesCaso: XD1 INPE

Solucao de Equacoes diferenciais parciaisTransformada Rapida de Fourier

Criptografia: SHA-2

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Caso: XD1 INPE


DesenvolvimentoCaso: XD1 INPE

Figura: Template para o FPGA

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Caso: XD1 INPE



Biblioteca einlib

Abstrai o FPGA como um arquivo

Funcoes

Abertura: fd = fpga open (/dev/ufp0, ...);

Carga: fpga load (fd, top.bin.ufp , ...);

Escrita: fpga wrt appif val (fd, data, addr, ...);

Leitura: fpga rd appif val (fd, &data, addr, ...);

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Caso: XD1 INPE



Funcoes

fpga wrt appif val(fd, 0x0F, 0x01);

fpga rd appif val(fd, &data, 0x01);

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Caso: XD1 INPE



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Caso: XD1 INPE



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Caso: XD1 INPE



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ufphdr

Convert

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Caso: XD1 INPE



Submissao

Na fila, aguardando

Executando

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Saıda

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Consideracoes finais

Panorama da computacao hıbrida usando FPGA

Futuro dos FPGAs na computacao de alto desempenho?fabricantesdesenvolvedores e pesquisadoresusuarios

Desenvolvimento para FPGAs: pros e contras

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Computacao Heterogenea de Alto Desempenhocom FPGAs

Andrea Charao Vitor Gomes Haroldo de Campos [email protected], [email protected], [email protected]

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