[發明專利]一種實現FPGA服務器的方法和系統

有效

• 申請號: 202010019013.9
• 申請日: 2020-01-08
• 公開（公告）號: CN111258951B
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 張科;于磊;王亞洲;陳明宇;常軼松;趙然;包云崗
• 申請（專利權）人: 中國科學院計算技術研究所
• 主分類號: G06F15/78
• 分類號: G06F15/78;G06F11/30
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 祁建國

本發明提出一種實現FPGA服務器的方法和系統，通過主控底板實現對服務器內所有SoC FPGA計算節點資源的集中監控與管理，該主控底板包括：多個自定義管理接口，分別用于連接SoC FPGA計算節點，為該SoC FPGA計算節點提供供電和數據交換；管理網絡交換模塊，用于互連SoC FPGA計算節點并提供管理網絡；核心控制單元，用于通過自定義管理接口及自定義管理接口協議對該SoC FPGA計算節點進行管理，并基于該管理接口協議獲取該SoC FPGA計算節點的運行參數，以管理監控該SoC FPGA計算節點。本發明的優點在于：通過自定義管理接口協議實現對SoC FPGA計算節點進行更全面、更復雜、更靈活的控制與監管；管理平面網絡與用戶數據平面網絡相互獨立，提高帶寬性能，并提高數據安全性。

技術領域

本發明涉及計算機體系結構以及FPGA(現場可編程門陣列)異構加速領域，特別涉及一種實現FPGA服務器的方法和系統。

背景技術

半導體工藝的發展速度逐漸成為制約計算機系統性能的瓶頸，傳統的串行處理技術已經不能滿足人們的需求，人們開始把注意力放在可并行計算的FPGA上。FPGA以其高能效和可多次編程的優勢，逐漸成為突破現有系統性能瓶頸的解決方案。在媒體壓縮、加解密、AI、大數據處理等領域，FPGA方案較傳統CPU和GPU，往往可達到幾倍甚至幾十倍的能效提升。然而FPGA開發的技術門檻較高，搭建FPGA硬件平臺更是高成本，長周期，如此的使用門檻，很難適應瞬息萬變的市場經濟。為了追求經濟與效益的最優化，FPGA云平臺應運而生，運營商為用戶提供穩定的FPGA硬件平臺以及一整套的開發環境，用戶支付相對較低的價格就可以使用到高端的FPGA資源，快速的開始項目的開發工作。在最近幾年，FPGA云的發展尤為迅猛，亞馬遜在2017年4月宣布FPGAEC2實例F1正式上線，同年國內互聯網巨頭BAT、華為也紛紛宣布開展FPGA云加速器業務，這一波FPGA云風勢之猛可見一斑。

目前就現有的主要運營商的FPGA云平臺，其基本框架如圖1所示，主要分三部分：客戶端、服務端和FPGA節點端。客戶端安裝在用戶的本地PC上，也可以通過網頁登錄使用云平臺，客戶端與服務端通過互聯網進行數據交互。服務端主要由一臺x86(或ARM、Power等架構)服務器組成，服務端集成了應用程序開發、FPGA加速邏輯開發所需的全套開發工具，運營商將x86服務器與FPGA節點作為一個整體提供給用戶使用，FPGA節點只包含邏輯資源。即現有技術提供給用戶的是一個包含FPGA加速卡的x86服務器，FPGA加速卡與x86服務器通過標準的PCIe相連。現有FPGA云服務器提供給用戶的是一個x86服務器，只是這個x86服務器比較特別，插一個FPGA加速卡，用做硬件加速。

服務端與FPGA節點端通過PCIe接口進行數據交互，受限于接口形式，FPGA節點需部署在x86服務器機箱里，一臺x86服務器根據自身機箱尺寸以及主板PCIe的接口數量，可部署的FPGA節點數量通常不會超過8個。如亞馬遜的FPGA EC2實例F1，每個F1實例計算池上最多可配置8個FPGA節點。在現有的云框架下，FPGA節點很難進行高密度的部署，如果進行大量部署，需要大量的x86服務器，部署成本高，且占用大量的物理空間。

現有云平臺將x86服務器與FPGA節點作為一種資源提供給用戶，用戶可以在x86服務器中開發自己的應用軟件，也可以在x86服務器中完成FPGA加速邏輯的開發。開發完成后，x86服務器與FPGA節點作為一個整體，為用戶提供一個高性能的網絡加速服務器。這種使用模式偏商業化，針對不同的用戶群體，這種模式并不是最優的，如果用戶使用FPGA云平臺的目的不是得到一個可以進行網絡加速的服務器，而僅僅是想學習或者使用FPGA板卡進行FPGA邏輯的開發(比如教學領域)，對x86服務器并沒有太大的需求，在這種場景下，x86+FPGA節點這種架構顯然有些浪費。

此外，商用服務器本身的設計理念并不是以部署FPGA節點為目的，所以在FPGA節點的部署、管理和使用上并不靈活(比如動態的給多個FPGA節點上電和下電)。現有的FPGA云平臺很難高密度的部署FPGA節點；針對特定的用戶群體，會造成x86服務器資源的浪費；在現有框架下管理和使用FPGA節點并不靈活。