Vers des architectures matérielles hautement flexibles pour le traitement des données à très haut débit : cas d'étude sur les réseaux à 100 Gbps

Towards highly flexible hardware architectures for high-speed data processing : a 100 Gbps network case study

• Auteur / Autrice : André Lalevée
• Direction : Michel Jézéquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 28/11/2017
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Electronique - Lab-STICC_IMTA_CACS_IAS - Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance
• Jury : Président / Présidente : Christophe Jego
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Jézéquel, Daniel Chillet, Virginie Fresse, Michael Huebner, Olivier Muller, Pierre-Henri Horrein, Matthieu Arzel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Chillet, Virginie Fresse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés

Systèmes de télécommunications à large bande

Reconfiguration (informatique)

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Mots clés libres

FPGAs

Reconfiguration Dynamique Partielle

Calcul reconfigurable

Relocation de bitstreams

Traitement de données hautdébit

Réseaux sur puce

FPGAs

Dynamic Partial Reconfiguration

Reconfiguable computing

Bitstream relocation

High-speed data processing

Networkon- Chips

Résumé

L’augmentation de la taille des réseaux actuels ainsi que de la diversité des applications qui les utilisent font que les architectures de calcul traditionnelles deviennent limitées. En effet, les architectures purement logicielles ne permettent pas de tenir les débits en jeu, tandis que celles purement matérielles n’offrent pas assez de flexibilité pour répondre à la diversité des applications. Ainsi, l’utilisation de solutions de type matériel programmable, en particulier les Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), a été envisagée. En effet, ces architectures sont souvent considérées comme un bon compromis entre performances et flexibilité, notamment grâce à la technique de Reconfiguration Dynamique Partielle (RDP), qui permet de modifier le comportement d’une partie du circuit pendant l’exécution. Cependant, cette technique peut présenter des inconvénients lorsqu’elle est utilisée de manière intensive, en particulier au niveau du stockage des fichiers de configuration, appelés bitstreams. Pour palier ce problème, il est possible d’utiliser la relocation de bitstreams, permettant de réduire le nombre de fichiers de configuration. Cependant cette technique est fastidieuse et exige des connaissances pointues dans les FPGAs. Un flot de conception entièrement automatisé a donc été développé dans le but de simplifier son utilisation.Pour permettre une flexibilité sur l’enchaînement des traitements effectués, une architecture de communication flexible supportant des hauts débits est également nécessaire. Ainsi, l’étude de Network-on-Chips dédiés aux circuits reconfigurables et au traitements réseaux à haut débit.Enfin, un cas d’étude a été mené pour valider notre approche.

The increase in both size and diversity of applications regarding modern networks is making traditional computing architectures limited. Indeed, purely software architectures can not sustain typical throughputs, while purely hardware ones severely lack the flexibility needed to adapt to the diversity of applications. Thus, the investigation of programmable hardware, such as Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), has been done. These architectures are indeed usually considered as a good tradeoff between performance and flexibility, mainly thanks to the Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to reconfigure a part of the design during run-time.However, this technique can have several drawbacks, especially regarding the storing of the configuration files, called bitstreams. To solve this issue, bitstream relocation can be deployed, which allows to decrease the number of configuration files required. However, this technique is long, error-prone, and requires specific knowledge inFPGAs. A fully automated design flow has been developped to ease the use of this technique. In order to provide flexibility regarding the sequence of treatments to be done on our architecture, a flexible and high-throughput communication structure is required. Thus, a Network-on-Chips study and characterization has been done accordingly to network processing and bitstream relocation properties. Finally, a case study has been developed in order to validate our approach.