Hardware Support for FPGA  Resource Elasticity

Abstract

FPGAs are commonly used in cloud computing due to their ability  to be  programmed  as a processor that serves a specific purpose; hence, achieving high performance at low power. On the other hand, FPGAs have a lot of resources available, which are wasted if they host a single application or serve a single user’s request. Partially Reconfiguration technology enables FPGAs to divide their resources into different regions and then dynamically reprogram those regions with various applications during runtime. Therefore, they are considered as a good solution to eliminate the underutilization resource problem. Nevertheless, the sizes of these regions are static; they cannot be increased or decreased once they are defined. Thereby, it leads to the underutilization of reconfigurable region resources. This thesis addresses this problem, i.e., how to dynamically increase/decrease partially reconfigurable FPGA resources matching an application’s needs. Our solution enables expanding and contracting the FPGA resources allocated to an application by 1) application acceleration requirements expressed in multiple smaller modules which are configured into multiple reconfigurable regions assigned to the application dynamically  and 2) providing a low - area - overhead, configurable, and isolated communication mechanism by adjusting crossbar interconnect and WISHBONE interface among those multiple reconfigurable regions. FPGA - kretsar har en förmåga  att programmeras som processorer med ett specifikt syfte vilket gör att de ofta används i molnlösningar. Det tager hög prestanda med låg effektförbrukning. Å andra sidan disponerar FPGA - kretsar över stora resurser, vilka är bortkastade om de enbart används av en applikation eller endast på en användares förfrågan. Partiellt omkonfigurerbara teknologier tillåter FPGA - kretsar att fördela resurser mellan olika regioner, och sen dynamiskt omprogrammera regioner med olika applikationer vid körning. Därför betraktas partiellt omkonfigurerbara teknologier som en bra lösning för att minimera underutnyttjande av resurser. Storleken på regionerna är statiska och kan inte ändras när de väl definierats, vilket leder till underutnyttjande av de omkonfigurerbara regionernas resurser. Denna uppsats angriper problemet med dynamisk allokering av partiellt omkonfigurerbara FPGA - resurser utifrån applikationens behov. Vår lösning möjliggör ökning och minskning av FPGA - resurser allokerade till en applikation genom 1) accelerering av applikationen genom att applikationen tilldelas flera mindre moduler konfigurerade till dynamiskt omkonfigurerbara regioner, och 2) tillhanda hållande av en effektiv konfigurerbar och isolerad kommunikationsmekanism, genom justering av crossbar - sammankoppling en  och  WISHBONE - gränssnittet hos de omkonfigurerbara regionerna