基于 FPGA 客戶端的分布式計算網(wǎng)絡設計

基于FPGA客戶端的分布式計算網(wǎng)絡設計高校和私企正在應用分布式平臺，而不是安裝速度更快、耗電更大的超級計算機來解決日益復雜的科學算法，針對SETI@home這樣的項目，他們則使用數(shù)以千計的個人計算機來計算它們的數(shù)據(jù)。［1，2］當前的分布式計算網(wǎng)絡一般用CPU或GPU來計算項目數(shù)據(jù)。FPGA也正被像COPACOBANA這樣的項目所采用，該項目使用120個賽靈思FPGA通過暴力處理來破解DES加密文件。［3］不過在這個案例中，F(xiàn)PGA都被集中布置在一個地方，這種方案不太適合那些預算緊張的大學或企業(yè)。目前并未將FPGA當作分布式計算工具，這是因為它們的使用需要借助PC，才能用新的比特流不斷地重新配置整個FPGA。但是現(xiàn)在有了賽靈思部分重配置技術，為分布式計算網(wǎng)絡設計基于FPGA的客戶端完全可行。我們漢堡應用技術大學的研究小組為這樣的客戶端創(chuàng)建了一個原型，并將其實現(xiàn)在單個FPGA上。我們的設計由靜態(tài)和動態(tài)兩大部分組成。其中靜態(tài)部分在FPGA啟動時加載，與此同時用靜態(tài)部分實現(xiàn)的處理器從網(wǎng)絡服務器下載動態(tài)部分。動態(tài)部分屬部分重配置區(qū)域，提供共享的FPGA資源。［4］采用這種配置，F(xiàn)PGA可以位于世界上的任何地方，用較低的預算就能夠為計算項目提供強大的計算能力。分布式SOC網(wǎng)絡由于具有信號并行處理能力，F(xiàn)PGA能夠使用比微處理器慢8倍的時鐘，低8倍的功耗實現(xiàn)比其快三倍的數(shù)據(jù)吞吐量。［5］為利用該強大的計算能力實現(xiàn)高數(shù)據(jù)輸入速率，設計人員一般將算法實現(xiàn)為流水線，比如DES加密。［3］我們開發(fā)分布式SoC網(wǎng)絡（DSN）原型的目的是加快算法的速度和使用分布式FPGA資源處理大型數(shù)據(jù)集。我們的網(wǎng)絡設計采用“客戶端-代理-服務器”架構，故我們可以將所有注冊的片上系統(tǒng)（SoC）客戶端分配給每一個網(wǎng)絡參與方的計算項目（如圖1所示）。這在將每一個SoC客戶端連接到唯一的項目的“客戶端-服務器”架構中是無法實現(xiàn)的。另外，我們選擇“代理-服務器”架構可以將每個FPGA的TCP/IP連接數(shù)量減少到一個。DSNFPGA負責運算使用專用數(shù)據(jù)集的算法，而“代理-服務器”則負責管理SoC客戶端和項目客戶端。代理調度連接的SoC客戶端，讓每個項目在相同的時間幾乎擁有相同的計算能力，或者在SoC的數(shù)量少于計算請求的項目時分時復用soc客戶端。項目客戶端提供部分重配置模塊（PRM）和激勵輸入數(shù)據(jù)集。在連接到“代理-服務器”之后，項目客戶端將PRM比特文件發(fā)送給服務器，然后由服務器將它們分配給帶有空閑的部分可重配置區(qū)域（PRR）的SoC客戶端。SoC客戶端的靜態(tài)部分是一個基于MicroBlazeTM的微控制器，用接收到的PRM動態(tài)重新配置PRR。接下來，項目客戶端開始通過“代理-服務器”發(fā)送數(shù)據(jù)集并從SoC客戶端接收計算的結果。根據(jù)項目客戶端的需要，舉例來說，它可以比較不同的計算結果，或根據(jù)計算目的評估計算結果。MicroBlaze處理器負責運行客戶端軟件，客戶端軟件管理部分重配置以及比特流和數(shù)據(jù)交換。SOC客戶端我們?yōu)殡SML605評估板配套提供的賽靈思Virtex?-6FPGA（XC6VLX240T）開發(fā)了SoC客戶端。MicroBlazeTM處理器負責運行客戶端軟件，客戶端軟件負責管理部分可重配置以及比特流和數(shù)據(jù)交換（如圖2所示）。用戶邏輯封裝PRR的處理器本地總線（PLB）外設用以連接靜態(tài)部分和動態(tài)部分。在動態(tài)部分駐留的是接收到的PRM提供的加速器IP核使用的FPGA共享資源。為存儲接收到的數(shù)據(jù)和計算完成的數(shù)據(jù)，我們選擇了DDR3存儲器而非CompactFlash，因為DDR存儲器有更高的數(shù)據(jù)吞吐量和無限制的寫入訪問次數(shù)。PRM存儲在專用數(shù)據(jù)段內，以控制其大小，避免與其它數(shù)據(jù)集發(fā)生沖突。該數(shù)據(jù)段大小為10MB，足以存儲完整的FPGA配置。因此每一個PRM都應該與這個數(shù)據(jù)段的大小匹配。我們還為接收及結果數(shù)據(jù)集創(chuàng)建了不同的數(shù)據(jù)段。這些數(shù)據(jù)段