Minicurso WSCAD 2010
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Este documento discute sistemas híbridos reconfiguráveis e suas aplicações. Apresenta conceitos de computação heterogênea e descreve alguns sistemas híbridos como o Cray XD1 e a arquitetura SRC. Também aborda aplicações como recuperação de informação e pesquisas no Laboratório Nacional de Oak Ridge que se beneficiam desses sistemas.
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Minicurso WSCAD 2010
- 1. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE Minicurso WSCAD-SSC 2009 ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea de Alto Desempenho com FPGAs Andrea Charao1 ˜ Vitor Gomes1,2 Haroldo de Campos Velho2 1 ´ ¸˜ LSC - Laboratorio de Sistemas de Computacao UFSM - Universidade Federal de Santa Maria 2 ´ ¸˜ ´ LAC - Laboratorio Associado de Computacao e Matematica Aplicada INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 1 / 38
- 2. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE 1 ¸˜ Contextualizacao ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı FPGA vs. GPU? 2 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis 3 ¸˜ Aplicacoes 4 Desenvolvimento H´brido ı O que executar no FPGA? Abordagens Fluxo de Desenvolvimento Desafios 5 Caso: XD1 INPE Equipamento ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento 2 / 38
- 3. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı ¸˜ Aplicacoes FPGA vs. GPU? Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı ¸˜ Contextualizacao Utiliza multiplos tipos de ´ elementos de processamento (CPU, GPU, FPGA, etc) Cada elemento processa a tarefa mais adequada Objetivo: aumento de ¸˜ Figura: Computacao H´brida ı desempenho 3 / 38
- 4. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı ¸˜ Aplicacoes FPGA vs. GPU? Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı ¸˜ Contextualizacao Utiliza multiplos tipos de ´ elementos de processamento (CPU, GPU, FPGA, etc) Cada elemento processa a tarefa mais adequada Objetivo: aumento de ¸˜ Figura: Computacao H´brida ı desempenho ´ Reconfiguravel (FPGA) 4 / 38
- 5. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı ¸˜ Aplicacoes FPGA vs. GPU? Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE ´ Um pouco de historia ¸˜ Computacao H´brida Reconfigur´ ı avel Imaginado por Gerald Estrin em 62 Arquitetura Fixed-Plus-Variable FPGAs dispon´veis em 85 (Xilinx) ı Primeiro Computador H´brido ı ´ Reconfiguravel (91): Algotronix CHS2X4 Tecnologia comprada pela Xilinx em 93 Figura: Algotronix CHS2X4 5 / 38
- 6. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı ¸˜ Aplicacoes FPGA vs. GPU? Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE FPGA vs. GPU? Google Trends Figura: Google Trends: Regions Figura: Google Trends 6 / 38
- 7. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı ¸˜ Aplicacoes FPGA vs. GPU? Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE FPGA vs. GPU? SBAC-PAD Trends SBAC-PAD’09 WSCAD-SSC’09 FPGA: 1 FPGA: 6 GPU: 5 GPU: 4 7 / 38
- 8. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı ¸˜ Aplicacoes FPGA vs. GPU? Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE FPGA vs. GPU? Caracter´sticas ı FPGA GPU Arquitetura customizada para ¸˜ Aplicacao precisa se adequar ¸˜ a aplicacao ` a arquitetura ˆ Baixa frequencia ˆ Alta frequencia Baixo consumo de energia Alto consumo de energia Desenvolvimento ”dif´cil” ı ´ Desenvolvimento ”facil” ¸˜ ´ ı Comunicac ao e cr´tica ¸˜ ´ ı Comunicac ao e cr´tica 8 / 38
- 9. ¸˜ Contextualizac ao Cray XD1 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Blade Cray XR1 ¸˜ Aplicacoes Blade SGI RASC RC100 Desenvolvimento H´brido ı Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICIT Caso: XD1 INPE Convey HC-1 ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı 1 ¸˜ Contextualizacao ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı FPGA vs. GPU? 2 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis 3 ¸˜ Aplicacoes 4 Desenvolvimento H´brido ı O que executar no FPGA? Abordagens Fluxo de Desenvolvimento Desafios 5 Caso: XD1 INPE Equipamento ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento 9 / 38
- 10. ¸˜ Contextualizac ao Cray XD1 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Blade Cray XR1 ¸˜ Aplicacoes Blade SGI RASC RC100 Desenvolvimento H´brido ı Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICIT Caso: XD1 INPE Convey HC-1 Cray XD1 Sistemas H´bridos Reconfigur´ ı aveis Lancado em 2004 ¸ 6x blades 2 AMD Opteron 64bits 1 FPGA Xilinx Virtex II Pro Figura: Cray XD1 10 / 38
- 11. ¸˜ Contextualizac ao Cray XD1 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Blade Cray XR1 ¸˜ Aplicacoes Blade SGI RASC RC100 Desenvolvimento H´brido ı Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICIT Caso: XD1 INPE Convey HC-1 Cray XD1 Sistemas H´bridos Reconfigur´ ı aveis Lancado em 2004 ¸ 6x blades 2 AMD Opteron 64bits 1 FPGA Xilinx Virtex II Pro Figura: Cray XD1 11 / 38
- 12. ¸˜ Contextualizac ao Cray XD1 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Blade Cray XR1 ¸˜ Aplicacoes Blade SGI RASC RC100 Desenvolvimento H´brido ı Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICIT Caso: XD1 INPE Convey HC-1 Blade Cray XR1 Sistemas H´bridos Reconfigur´ ı aveis ¸˜ ´ Solucao generica da Cray 1 AMD Opteron 2 FPGAs Xilinx Virtex 4 Compat´vel com XT3, XT4 e ı XT5 Figura: Blade Cray XR1 12 / 38
- 13. ¸˜ Contextualizac ao Cray XD1 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Blade Cray XR1 ¸˜ Aplicacoes Blade SGI RASC RC100 Desenvolvimento H´brido ı Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICIT Caso: XD1 INPE Convey HC-1 Blade SGI RASC RC100 Sistemas H´bridos Reconfigur´ ı aveis ¸˜ ´ Solucao generica da SGI 2 FPGAs Xilinx Virtex 4 Conectado diretamente ao barramento Compat´vel com SGI Altix ı 4700 e Altix 450 Figura: SGI RASC RC100 13 / 38
- 14. ¸˜ Contextualizac ao Cray XD1 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Blade Cray XR1 ¸˜ Aplicacoes Blade SGI RASC RC100 Desenvolvimento H´brido ı Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICIT Caso: XD1 INPE Convey HC-1 Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICIT Sistemas H´bridos Reconfigur´ ı aveis Arquitetura IMPLICIT + EXPLICIT SRC Carte Programming Environment Figura: Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICIT 14 / 38
- 15. ¸˜ Contextualizac ao Cray XD1 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Blade Cray XR1 ¸˜ Aplicacoes Blade SGI RASC RC100 Desenvolvimento H´brido ı Arquitetura SRC IMPLICIT + EXPLICIT Caso: XD1 INPE Convey HC-1 Convey HC-1 Sistemas H´bridos Reconfigur´ ı aveis Arquitetura h´brida recente ı (SC’09) Green computing Convey compiler Figura: Convey HC-1 15 / 38
- 16. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı Mitrionics: Information Retrieval ¸˜ Aplicacoes OAK Ridge National Laboratory Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE ¸˜ Aplicacoes 1 ¸˜ Contextualizacao ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı FPGA vs. GPU? 2 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis 3 ¸˜ Aplicacoes 4 Desenvolvimento H´brido ı O que executar no FPGA? Abordagens Fluxo de Desenvolvimento Desafios 5 Caso: XD1 INPE Equipamento ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento 16 / 38
- 17. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı Mitrionics: Information Retrieval ¸˜ Aplicacoes OAK Ridge National Laboratory Desenvolvimento H´brido ı 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-Efficiency Document Filtering. In: FPL09 Prague - 19th International Conference on Field Programmable Logic and Applications, Sep. 2009 Filtragem de grandes quantidades de documentos SGI RASC RC100 17 / 38
- 18. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı Mitrionics: Information Retrieval ¸˜ Aplicacoes OAK Ridge National Laboratory Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE OAK Ridge National Laboratory 18 / 38
- 19. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı Mitrionics: Information Retrieval ¸˜ Aplicacoes OAK Ridge National Laboratory Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE OAK Ridge National Laboratory ˜ Onde estao executando? 19 / 38
- 20. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı Mitrionics: Information Retrieval ¸˜ Aplicacoes OAK Ridge National Laboratory Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE OAK Ridge National Laboratory Resultados 20 / 38
- 21. ¸˜ Contextualizac ao O que executar no FPGA? ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı Abordagens ¸˜ Aplicacoes Fluxo de Desenvolvimento Desenvolvimento H´brido ı Desafios Caso: XD1 INPE Desenvolvimento H´brido ı 1 ¸˜ Contextualizacao ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea/H´brida ı FPGA vs. GPU? 2 ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis 3 ¸˜ Aplicacoes 4 Desenvolvimento H´brido ı O que executar no FPGA? Abordagens Fluxo de Desenvolvimento Desafios 5 Caso: XD1 INPE Equipamento ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento 21 / 38
- 22. ¸˜ Contextualizac ao O que executar no FPGA? ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı Abordagens ¸˜ Aplicacoes Fluxo de Desenvolvimento Desenvolvimento H´brido ı Desafios Caso: XD1 INPE O que executar no FPGA? Desenvolvimento H´brido ı Nucleos computacionalmente intensivos ´ ¸˜ Custo de comunicacao vs Custo processamento 22 / 38
- 23. ¸˜ Contextualizac ao O que executar no FPGA? ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı Abordagens ¸˜ Aplicacoes Fluxo de Desenvolvimento Desenvolvimento H´brido ı Desafios Caso: XD1 INPE Abordagens Desenvolvimento H´brido ı Figura: CPU ou FPGA Figura: CPU e FPGA 23 / 38
- 24. ¸˜ Contextualizac ao O que executar no FPGA? ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı Abordagens ¸˜ Aplicacoes Fluxo de Desenvolvimento Desenvolvimento H´brido ı Desafios Caso: XD1 INPE Fluxo de Desenvolvimento Desenvolvimento H´brido ı 24 / 38
- 25. ¸˜ Contextualizac ao O que executar no FPGA? ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı Abordagens ¸˜ Aplicacoes Fluxo de Desenvolvimento Desenvolvimento H´brido ı Desafios Caso: XD1 INPE Desafios Desenvolvimento H´brido ı ¸˜ Comunicacao CPU - FPGA (Custo e abordagens) ´ Ponto Flutuante (area dispon´vel no FPGA, N ciclos) ı ¸˜ ´ Utilizacao eficiente da hierarquia de memoria Duplo paradigma Particionamento de carga entre CPU e FPGA 25 / 38
- 26. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Equipamento Caso: XD1 INPE Adquido pelo INPE em 2005 26 / 38
- 27. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE ¸˜ Aplicacoes Caso: XD1 INPE ¸˜ ¸˜ Solucao de Equacoes diferenciais parciais ´ Transformada Rapida de Fourier Criptografia: SHA-2 27 / 38
- 28. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Figura: Template para o FPGA 28 / 38
- 29. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Desenvolvimento 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, ...); 29 / 38
- 30. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Desenvolvimento Caso: XD1 INPE ¸˜ Funcoes fpga wrt appif val(fd, 0x0F, 0x01); fpga rd appif val(fd, &data, 0x01); 30 / 38
- 31. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Desenvolvimento Caso: XD1 INPE 31 / 38
- 32. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Desenvolvimento Caso: XD1 INPE 32 / 38
- 33. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Desenvolvimento Caso: XD1 INPE 33 / 38
- 34. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Desenvolvimento Caso: XD1 INPE ufphdr Convert 34 / 38
- 35. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Desenvolvimento Caso: XD1 INPE ˜ Submissao Na fila, aguardando Executando 35 / 38
- 36. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Desenvolvimento Caso: XD1 INPE Sa´da ı 36 / 38
- 37. ¸˜ Contextualizac ao ı ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis Equipamento ¸˜ Aplicacoes ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Desenvolvimento Caso: XD1 INPE ¸˜ Consideracoes finais ¸˜ ı Panorama da computacao h´brida usando FPGA ¸˜ Futuro dos FPGAs na computacao de alto desempenho? fabricantes desenvolvedores e pesquisadores ´ usuarios ´ Desenvolvimento para FPGAs: pros e contras 37 / 38
- 38. ¸˜ Contextualizac ao ´ Sistemas H´bridos Reconfiguraveis ı ¸˜ Aplicacoes Desenvolvimento H´brido ı Caso: XD1 INPE Minicurso WSCAD-SSC 2009 ¸˜ ˆ Computacao Heterogenea de Alto Desempenho com FPGAs ˜ Andrea Charao Vitor Gomes Haroldo de Campos Velho andrea@inf.ufsm.br, vconrado@inf.ufsm.br, haroldo@lac.inpe.br 38 / 38