FPGA Accelerators on Heterogeneous Systems: An Approach Using High Level Synthesis

La evolución de las FPGAs como dispositivos para el procesamiento con alta eficiencia energética y baja latencia de control, comparada con dispositivos como las CPUs y las GPUs, las han hecho atractivas en el ámbito de la computación de alto rendimiento (HPC).A pesar de las inumerables ventajas de las FPGAs, su inclusión en HPC presenta varios retos. El primero, la complejidad que supone la programación de las FPGAs comparada con dispositivos como las CPUs y las GPUs. Segundo, el tiempo de desarrollo es alto debido al proceso de síntesis del hardware. Y tercero, trabajar con más arquitecturas en HPC requiere el manejo y la sintonización de los detalles de cada dispositivo, lo que añade complejidad.Esta tesis aborda estos 3 problemas en diferentes niveles con el objetivo de mejorar y facilitar la adopción de las FPGAs usando la síntesis de alto nivel(HLS) en sistemas HPC.En un nivel próximo al hardware, en esta tesis se desarrolla un modelo analítico para las aplicaciones limitadas en memoria, que es una situación común en aplicaciones de HPC. El modelo, desarrollado para kernels programados usando HLS, puede predecir el tiempo de ejecución con alta precisión y buena adaptabilidad ante cambios en la tecnología de la memoria, como las DDR4 y HBM2, y en las variaciones en la frecuencia del kernel. Esta solución puede aumentar potencialmente la productividad de las personas que programan, reduciendo el tiempo de desarrollo y optimización de las aplicaciones.Entender los detalles de bajo nivel puede ser complejo para las programadoras promedio, y el desempeño de las aplicaciones para FPGA aún requiere un alto nivel en las habilidades de programación. Por ello, nuestra segunda propuesta está enfocada en la extensión de las bibliotecas con una propuesta para cómputo en visión artificial que sea portable entre diferentes fabricantes de FPGAs. La biblioteca se ha diseñado basada en templates, lo que permite una biblioteca que da flexibilidad a la generación del hardware y oculta decisiones de diseño críticas como la comunicación entre nodos, el modelo de concurrencia, y la integración de las aplicaciones en el sistema heterogéneo para facilitar el desarrollo de grafos de visión artificial que pueden ser complejos.Finalmente, en el runtime del host del sistema heterogéneo, hemos integrado la FPGA para usarla de forma trasparente como un dispositivo acelerador para la co-ejecución en sistemas heterogéneos. Hemos hecho una serie propuestas de altonivel de abstracción que abarca los mecanismos de sincronización y políticas de balanceo en un sistema altamente heterogéneo compuesto por una CPU, una GPU y una FPGA. Se presentan los principales retos que han inspirado esta investigación y los beneficios de la inclusión de una FPGA en rendimiento y energía.En conclusión, esta tesis contribuye a la adopción de las FPGAs para entornos HPC, aportando soluciones que ayudan a reducir el tiempo de desarrollo y mejoran el desempeño y la eficiencia energética del sistema.---------------------------------------------The emergence of FPGAs in the High-Performance Computing domain is arising thanks to their promise of better energy efficiency and low control latency, compared with other devices such as CPUs or GPUs.Albeit these benefits, their complete inclusion into HPC systems still faces several challenges. First, FPGA complexity means its programming more difficult compared to devices such as CPU and GPU. Second, the development time is longer due to the required synthesis effort. And third, working with multiple devices increments the details that should be managed and increase hardware complexity.This thesis tackles these 3 problems at different stack levels to improve and to make easier the adoption of FPGAs using High-Level Synthesis on HPC systems. At a close to the hardware level, this thesis contributes with a new analytical model for memory-bound applications, an usual situation for HPC applications. The model for HLS kernels can anticipate application performance before place and route, reducing the design development time. Our results show a high precision and adaptable model for external memory technologies such as DDR4 and HBM2, and kernel frequency changes. This solution potentially increases productivity, reducing application development time.Understanding low-level implementation details is difficult for average programmers, and the development of FPGA applications still requires high proficiency program- ming skills. For this reason, the second proposal is focused on the extension of a computer vision library to be portable among two of the main FPGA vendors. The template-based library allows hardware flexibility and hides design decisions such as the communication among nodes, the concurrency programming model, and the application’s integration in the heterogeneous system, to develop complex vision graphs easily.Finally, we have transparently integrated the FPGA in a high level framework for co-execution with other devices. We propose a set of high level abstractions covering synchronization mechanism and load balancing policies in a highly heterogeneous system with CPU, GPU, and FPGA devices. We present the main challenges that inspired this research and the benefits of the FPGA use demonstrating performance and energy improvements.<br /