第44 期: 面向未来十年的“All Programmable” - Xilinx

分 布 式 计 算 领 域 的 出 色 表 现
高校和私企正在应用分布式平
台,而不是安装速度更快、
耗电更大的超级计算机来解
决日益复杂的科学算法,针对 SETI@
home 这样的项目,他们则使用数以千
计的个人计算机来计算它们的数据。 [1,
2] 当 前 的 分 布 式 计 算 网 络 一 般 使 用
CPU 或 GPU 来计算项目数据。
FPGA 也正被像 COPACOBANA
这样的项目所采用,该项目使用 120
个赛灵思 FPGA 通过暴力处理来破解
DES 加密文件。 [3] 不过在这个案例中,
FPGA 都被集中布置在一个地方,这
种方案不太适合那些预算紧张的大学
或企业。目前并未将 FPGA 当作分布
式计算工具,这是因为它们的使用需
要借助 PC,才能用新的比特流不断地
重新配置整个 FPGA。但是现在有了
赛灵思部分重配置技术,为分布式计
算网络设计基于 FPGA 的客户端完全
可行。
我们汉堡应用技术大学的研究小
组为这样的客户端创建了一个原型,
并将其实现在单个 FPGA 上。我们的
设计由静态和动态两大部分组成。其
中静态部分在 FPGA 启动时加载,与
SoC 1
SoC n
此同时用静态部分实现的处理器从网
络服务器下载动态部分。动态部分属
部分重配置区域,提供共享的 FPGA
资源。 [4] 采用这种配置,FPGA 可以
位于世界上的任何地方,用较低的预
算就能够为计算项目提供强大的计算
能力。
TCP/IP
分布式 SOC 网络
由于具有信号并行处理能力,FPGA
能够使用比微处理器慢 8 倍的时钟,
低 8 倍的功耗实现比其快三倍的数据
吞吐量。 [5] 为利用该强大的计算能力
实现高数据输入速率,设计人员一般
将算法实现为流水线,比如 DES 加密。
[3] 我们开发分布式 SoC 网络 (DSN)
原型的目的是加快算法的速度和使用
分布式 FPGA 资源处理大型数据集。
我们的网络设计采用“客户端 - 代理 -
服务器”架构,故我们可以将所有注
册的片上系统 (SoC) 客户端分配给每
一个网络参与方的计算项目(如图 1
所示)。这在将每一个 SoC 客户端连
接到唯一的项目的“客户端 - 服务器”
架构中是无法实现的。
另外,我们选择“代理 - 服务器”
SoC 1
SoC n
1
m
架构可以将每个 FPGA 的 TCP/IP 连
接数量减少到一个。DSN FPGA 负责
运算使用专用数据集的算法,而“代理 -
服务器”则负责管理 SoC 客户端和项
目客户端。代理调度连接的 SoC 客户
端,让每个项目在相同的时间几乎拥
有相同的计算能力,或者在 SoC 的数
量少于计算请求的项目时分时复用 soc
客户端。
项目客户端提供部分重配置模块
(PRM) 和激励输入数据集。在连接到
“代理 - 服务器”之后,项目客户端将
PRM 比特文件发送给服务器,然后由
服务器将它们分配给带有空闲的部分
可重配置区域 (PRR) 的 SoC 客户端。
SoC 客户端的静态部分是一个基于
MicroBlazeTM 的微控制器,用接收到
的 PRM 动态重新配置 PRR。接下来,
项目客户端开始通过“代理 - 服务器”
发送数据集并从 SoC 客户端接收计算
的结果。根据项目客户端的需要,举
例来说,它可以比较不同的计算结果,
或根据计算目的评估计算结果。
SOC 客户端
我们为随 ML605 评估板配套提供的赛灵
14 赛灵思中国通讯 44 期 2012 年第二季度
PRM
1
PRM
m
图 1 - 带有由 FPGA 实现,并由中央代理 - 服务器管理的 SoC 客户端的分布式 SoC 网络。项目客户端负责分配部分可重配置模块和数据集。
SoC 客户端的动态部分通过 PRR 提供资源,静态部分内含的微控制器负责处理重配置工作。