Changement de contexte matériel sur FPGA, entre équipements reconfigurables et hétérogènes dans un environnement de calcul distribué

Hardware task context switch on FPGA between heterogeneous reconfigurable devices in a cloud-FPGA environment

• Auteur / Autrice : Alban Bourge
• Direction : Frédéric Rousseau, Olivier Muller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 23/11/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Grenoble, Isère, France ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Sentieys
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Auguin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Pillement, Loïc Lagadec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés numériques

Réseaux logiques programmables

Composants électroniques

Mots clés libres

Fpga

Calcul distribué

Contexte

Hétérogène

Calcul

Configuration

Fpga

Cloud-Computing

Context

Heterogeneous

Computing

Switch

Résumé

Architectures reconfigurables dynamiquement offrent théoriquement excellent compromis entre performance et flexibilité. Pratiquement, ces architectures sont basées sur un ou plusieurs processeurs et plusieurs cellules reconfigurables. Une cellule reconfigurable peut charger, exécuter et décharger des accélérateurs matériels. Cette propriété permet la virtualisation des tâches matérielles. Dans ce contexte, une application peut prendre avantage de la flexibilité du logiciel et la performance du matériel. Dans les architectures reconfigurables actuels, les tâches matérielles sont limitées à une coopérative multi-tâches , depuis le temps de reconfiguration et l'heure de contexte stockage sont coûteux . Bien que le temps de reconfiguration est dépendante de l’architecture, le temps requis pour stocker ou restaurer le contexte dépend fortement des applications s'exécutant sur des tâches matériels. La réduction de ce temps des changements de contexte est obligatoire d'offrir à la tâche matérielle d'un multi- tâches préemptif, tout comme les tâches de logiciels. Plusieurs méthodes existent pour effectuer les opérations contexte commutateur matériel dans un contexte cellulaire homogène : chaîne de relecture dédiée sur tissus reconfigurables, des points de contrôle, de numérisation de la chaîne sur le contexte réel. Mais, rien n'a été proposé dans un contexte de tissu hétérogène (par exemple une accélération matérielle nuage fournir sur différents types de carte FPGA) .L'objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles méthodes et algorithmes pour permettre le matériel des changements de contexte, même entre des cibles matérielles hétérogènes. Au cours de la thèse, l'étudiant devra :- Réaliser une bibliographie sur les méthodes du matériel du groupe de préemption existants dans le contexte cellulaire homogène.- Proposer des algorithmes qui permettent une solution légère et générique changement de contexte pour les tâches matérielles .- Valider ces algorithmes par leur intégration dans un flux de production d' accélérateur matériel . Ainsi, le flux prolongée peut générer, en plus de la tâche matérielle d'une application, le support matériel dédié pour des changements de contexte.- Proposer une stratégie de génération (multi- cible supplémentaire, ...) adapté pour cibles hétérogènes. La stratégie doit préserver les points de synchronisation entre les objectifs- Prototype de preuve de concepts sur la stratégie sur un nuage de FPGA.

Dynamically reconfigurable architectures offer theoretically excellent trade-off between performance and flexibility. Practically, these architectures are based on one or several processors and several reconfigurable cells. A reconfigurable cell can load, execute and unload hardware accelerators. This property enables virtualization of hardware tasks. In this context, an application can take benefit from both software flexibility and hardware performance. In current reconfigurable architectures, hardware tasks are limited to cooperative multi-tasking, since reconfiguration time and context-storing time are expensive. While reconfiguration time is architecture-dependent, the time required to store or restore the context strongly depends on applications running on hardware tasks. Reducing this context-switch time is mandatory to offer to hardware task a preemptive multi-tasking, just like software tasks. Several methods exist to perform the hardware context-switch operations in an homogeneous cell context: dedicated readback chain on reconfigurable fabrics, checkpoints, scan-chain on live context. But, nothing has been proposed in an heterogeneous fabric context (e.g. a cloud providing hardware acceleration on various kind of FPGA board).The goal of this thesis is to propose new methodologies and algorithms to enable hardware context-switch even between heterogeneous hardware targets. During the thesis, the student will have to:- Realize a bibliography on the existing hardware task preemption methods in homogeneous cell context.- Propose algorithms that enable a lightweight and generic context switch solution for hardware tasks.- Validate these algorithms by their integration in a hardware accelerator generation flow. Thus, the extended flow can generate in addition of the hardware task of an application, the dedicated hardware support for context-switch.- Propose an generation strategy (incremental, multi-target,...) suitable for heterogeneous targets. The strategy has to preserve synchronization points between targets- Prototype proof-of-concepts on the strategy on an FPGA cloud.