Die Bedeutung von FPGAs für High-Performance-Computing

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eepd-just-embedded-4zu1 (© E.E.P.D. GmbH)

E.E.P.D. Electronic Equipment Produktion & Distribution GmbH

Die universalen Rechnerknoten (GNs) des MANGO-Systems bestehen aus einem skalierbaren Server aus Standard-Blades mit Intel-Prozessoren (CPUs) und Graphikprozessoren (GPUs).

Die heterogenen Beschleunigungsknoten (HNs) bestehen aus Xilinx Zynq™-7000, Xilinx Virtex®-7 und UltraScale™ FPGA Modulen aus PRO DESIGN`s proFPGA Produkt-Familie. Zynq™-FPGAs haben einen eingebetteten ARM-Prozessor und einen FPGA-Teil während Virtex®-Bausteine reine FPGAs mit größtmöglicher Logik-Kapazität sind.

Die oben genannten FPGA-Module können beliebig kombiniert und auf das proFPGA quad Motherboard (später auf ein spezifisches Chassis), welches Steckplätze für 4 solcher Module hat, aufgesteckt werden. Mehrere solcher Motherboards können zu größeren Systemen miteinander verbunden werden. Die Flexibilität dieses Baukastenprinzips ermöglicht das Upgrade bzw. Downgrade des HN-Setups in Schritten von nur einem FPGA-Modul und erlaubt es HN-Cluster mit einer fast unbegrenzten Anzahl an FPGA-Modulen zu bilden.

Die Verbindungen zwischen den FPGA-Modulen werden mit Interconnect-Kabeln hergestellt, welche die regulären FPGA I/Os miteinander verbinden. Multi-Gigabit-Transceiver (MGT)-Verbindungen zwischen FPGAs werden über Extension-Boards mit optischen Schnittstellen, z.B. Gigabit Ethernet oder QSFP+, realisiert.

Ein PCIe- oder Ethernet-Link verbindet das proFPGA System mit dem Blade-Server und ermöglicht einen superschnellen Datenaustausch zwischen GNs und HNs.

Rechner-Einheiten

Im HPC-Bereich werden die meisten Rechenaufgaben von Hochleistungsprozessoren (CPUs), welche primär für die serielle Verarbeitung von aufeinander folgenden Daten ausgelegt sind, übernommen. GPUs hingegen haben eine immense Parallel-Architektur mit Tausenden von kleineren, effizienteren Rechnereinheiten, welche dazu entwickelt wurden, mehrere Aufgaben parallel durchzuführen.

GPU-beschleunigtes Co-Processing, bei dem rechenintensive Funktionen an Graphikprozessoren ausgelagert werden, währen der Rest des sequentiellen Codes von der CPU verarbeitet wird, bietet eine weit höhere Performance, was sich in einer deutlich kürzeren Verarbeitungszeit wiederspiegelt. Allerdings kann diese Methodik nicht auf alle Algorithmen übertragen werden.

FPGAs bieten eine sehr hohe I/O-Bandbreite und ermöglichen eine programmierbare, fein unterteilbare, individuelle und flexible Parallelisierung. FPGAs haben aufgrund Ihrer Parallelverarbeitungsmöglichkeiten an Marktanteilen im HPC-Bereich gewonnen und werden aufgrund ihrer zunehmenden Reife und Fähigkeiten immer wichtiger. Zwar sind sie nach wie vor vergleichbar schwierig zu programmieren, allerdings nähern sie sich laut jüngsten Trends immer näher an Verfahrenssprachen und OpenCL an.

FPGAs im MANGO-Projekt

Der größte Vorteil von FPGAs ist ihre Vielseitigkeit. Im MANGO-Projekt werden sie in zweierlei Hinsicht genutzt – einmal für Datenverarbeitungsaufgaben und zum anderen als Emulationsplattform.

Als Datenverarbeitungsplattform werden sie zur beschleunigten Verarbeitung von Massendaten genutzt. In diesem Fall ist das FPGA eine Rechner-Einheit aus dem Gesamtsystems. In MANGO wird dieser Ansatz durch dedizierte Beschleunigungsdesigns validiert.

Im anderen Fall werden FPGAs als Emulationsplattform genutzt. Hier liegt der Fokus auf der Erforschung von neuen Architekturen – sowohl auf System-Ebene (NoC oder Multi-Core) wie auch auf Datenverarbeitungs-Ebene. Emulierte Systeme sind universelle von Software programmierbare Rechnereinheiten. In MANGO zielt dieser Ansatz auf funktionale Aspekte ab und ermöglicht die Validierung des Software-Stacks. Die physikalische Leistung wird über Leistungsindikatoren ermittelt, Verbesserungen sind dabei relativ zu sehen.

Philipp Ampletzer, Director Sales & Business Development bei PRO DESIGN Electronic GmbH sagt: “Das MANGO-Projekt zeigt die Bedeutung von FPGAs für heutige und künftige HPC-Systeme. FPGAs ermöglichen Entwicklern verschiedene Multi-Kern-Architekturen zu erforschen und sind gleichzeitig nicht wegzudenken als Hardware-Beschleuniger für die Verarbeitung von Massendaten. Durch die Unterstützung von vielversprechenden Projekten wie MANGO rüttelt die EU an der Vorherrschaft der Amerikaner im HPC-Bereich. Auch wenn es für Europa noch ein weiter Weg ist, so sind wir doch dabei aufzuholen.”

Figure 4: The proFPGA quad motherboard with Virtex-7 FPGA modules is a very flexible high-performance multi-FPGA hardware platform. (PRO DESIGN Electronic)

* Philipp Ampletzer ist tätig als Director Sales & Business Development bei der PRO DESIGN Electronic GmbH.

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