UniLogic (unified logic): a scalable architecture for increased programmability in highly parallel reconfigurable systems

Abstract

High Performance Computing (HPC) applications become increasingly performance and power demanding, pushing HPC systems to their limits. Existing HPC systems have not yet reached exascale performance mainly due to power limitations, while about 100-200 MWatts would be required to sustain an exaflop-level of performance. A promising solution is the de-ployment of energy-efficient reconfigurable resources in the form of FPGAs. However, cur-rent FPGA environments are optimized for accelerating a single application on a single FPGA device. In this thesis we present UNILOGIC (Unified Logic), a novel HPC-tailored parallel ar-chitecture that efficiently incorporates FPGAs. UNILOGIC adopts the Partitioned Global Ad-dress Space (PGAS) model, and extends it to include hardware accelerators. Thus (i) the hardware accelerators can be accessed directly by any processor in the system, and (ii) the hardware accelerators can access any memory location in the system. In this way, the pro-posed architecture offers a unified environment where all the reconfigurable resources can be seamlessly used by any processor/operating system. The UNILOGIC architecture has been evaluated on a custom prototype that consists of 64 Zynq MPSoCs and 1 Terabyte of memory. Our evaluation shows that UNILOGIC offers impressive performance that ranges from being 3 to 400 times faster and 46 to 370 times more energy efficient compared to con-ventional parallel systems utilizing only high-end CPUs, while it also outperforms GPUs by a factor ranging from 6 to 20 times in terms of time to solution, and from 8 to 20 times in terms of energy to solution.

Οι εφαρμογές HPC γίνονται όλο και πιο απαιτητικές σε απόδοση και σε ενέργεια, πιέζοντας τα συστήματα στα όριά τους. Τα συστήματα HPC δεν έχουν ακόμη φτάσει σε απόδοση ex-ascale, κυρίως λόγω ενεργειακών περιορισμών, ενώ θα απαιτούνταν περίπου 100-200 MWatts για να φτάσουν την απόδοση σε επίπεδο exaflop. Μια πολλά υποσχόμενη λύση είναι η χρησιμοποίηση ενεργειακά-αποδοτικών επαναδιαμορφώσιμων πόρων, στη μορφή των FPGAs. Ωστόσο, τα σημερινά περιβάλλοντα για FPGAs είναι βελτιστοποιημένα για να επιταχύνουν μία μόνο εφαρμογή, σε μία μόνο FPGA. Σε αυτή τη διατριβή παρουσιάζουμε το UNILOGIC (Ενοποιημένη Λογική), μία πρότυπη, παράλληλη αρχιτεκτονική προσαρμοσμένη για HPC, η οποία συμπεριλαμβάνει αποδοτικά τις FPGAs. Το UNILOGIC υιοθετεί το μοντέλο PGAS στο οποίο συμπεριλαμβάνει και τους επιταχυντές υλικού. Έτσι (i) η πρόσβαση στους επιταχυντές μπορεί να γίνει απευθείας από οποιονδήποτε επεξεργαστή στο σύστημα και (ii) οι επιταχυντές μπορούν να έχουν πρόσβαση σε οποιαδήποτε θέση μνήμης στο σύστημα. Με τον τρόπο αυτό, η προτεινόμενη αρχιτεκτονική προσφέρει ένα ενοποιημένο περιβάλλον όπου όλοι οι επαναδιαμορφώσιμοι πόροι μπορούν να χρησιμοποιηθούν απρόσκοπτα από οποιοδήποτε επεξεργαστή/λειτουργικό σύστημα. H αρχιτεκτονική UNILOGIC αξιολογήθηκε σε ένα πρωτότυπο που φιλοξενεί συνολικά 64 Zynq MPSoCs και 1 Terabyte μνήμης. H αρχιτεκτονική UNILOGIC προσφέρει επιδόσεις που κυμαίνονται από 3 έως 400 φορές ταχύτερες και 46 έως 370 φορές πιο αποδοτικές ενεργειακά σε σχέση με συστήματα που χρησιμοποιούν CPUs, ενώ υπερβαίνουν τις GPU από 6 έως 20 φορές από πλευράς απαιτούμενου χρόνου επίλυσης, και από 8 έως 20 φορές από πλευράς απαιτούμενης ενέργειας για τη λύση.