Reconfigurable circuits (Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)) for accelerating applications have been a key technology for many years. Thus, the world’s leading data center operators and providers of cloud infrastructures, namely Microsoft, IBM, and soon Amazon, are using FPGAs on their application platforms. The central question of this contribution is how FPGAs can be virtualized for a flexible and dynamic deployment in cloud infrastructures.
In addition to the virtualization of FPGA resources, service models for the provision of virtualized FPGAs are developed and embedded into a resource management system in order to evaluate the cloud system’s behaviour. The objective of this work is not to build a cloud architecture, but rather to examine selected aspects of cloud systems with regard to the integration of reconfigurable hardware. The FPGAs are not only virtualized but, unlike in many other projects, the entire system and the application are taken into account. As a result, the vFPGAs are used dynamically and adaptively at different locations and topologies in the cloud architecture, depending on the user’s requirements.
Furthermore, a prototypical implementation of a cloud system has been developed, and evaluated in several projects. The virtualization using state-of-the-art FPGAs has shown that the establishment of homogenous environments is possible. The Migration of a partial FPGA context is also possible with current FPGA architectures, but is associated with high costs in form of hardware resources. Furthermore, a simulation was carried out to determine whether virtualization and migration, could contribute to a more efficient utilization of resources in a larger cloud system or impair the service level agreement. In summary, both the developed virtualization and the possibility of a migration make it possible to reduce the amount of necessary resources in a modern cloud system. / Rekonfigurierbare Schaltkreise wie Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stellen seit Jahren für viele Unternehmen eine Schlüsseltechnologie zur Hintergrundbeschleunigung von Anwendungen und Cloud- Diensten dar. Als weltweit führende Betreiber von Rechenzentren und Anbieter von Cloud-Infrastrukturen setzten mittlerweile Microsoft, IBM und demnächst auch Amazon in ihren Systemen FPGAs auf Anwendungsebene ein, um sowohl die Rechenleistung zu erhöhen als auch die Verlustleistung und damit die Betriebskosten zu reduzieren. Ebenso stellt die Erhöhung der Zugangssicherheit durch Nutzung von FPGAs einen weiteren bedeutenden Aspekt dar. Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit besteht darin, wie FPGAs durch Virtualisierung effizient auf der Anwendungsebene nutzbar gemacht werden können. Das Ziel besteht darin, die FPGAs wie andere Komponenten flexibel und dynamisch in der Cloud einzusetzen.
Um ein Cloud-System mit FPGAs evaluieren zu können, werden zunächst Servicemodelle für eine Bereitstellung der virtualisierten FPGAs entwickelt und in eine Ressourcenverwaltung eingebettet. Ziel der Arbeit ist hierbei nicht der Aufbau einer Cloud-Architektur selbst, sondern vielmehr die Untersuchung ausgewählter Aspekte mit Hinblick auf die Integration rekonfigurierbarer Hardware in eine Cloud.
Dabei wird die klassische System-Virtualisierung auf die rekonfigurierbare Hardware übertragen, um eine Abstraktion vom physischen FPGA zu erreichen und diesen möglichst effizient auslasten zu können. Das Ziel besteht hierbei darin, mehrere unabhängige, nebenläufig arbeitende Nutzerkerne auf demselben physischen FPGA zu realisieren und durch Migration auf andere Rechenknoten zu übertragen sowie von der physischen Größe und der Architektur des FPGAs zu abstrahieren. Dabei wird nicht nur der FPGA virtualisiert, sondern – anders als bei der Mehrzahl vergleichbarer Arbeiten – das Gesamtsystem und der Einsatzzweck berücksichtigt.
Ein prototypisch entwickeltes Cloud-System wurde im Rahmen mehrerer Projekte evaluiert. Durch diese prototypische Umsetzung wird nachgewiesen, dass eine FPGA-Virtualisierung auf aktuellen FPGAs möglich ist und welche Kosten dazu erforderlich sind. Ebenso zeigt sich, dass aufgrund bestimmter fester Strukturen eine Etablierung von homogenen Bereichen notwendig ist, um die Migration eines partiellen FPGA-Kontextes zu ermöglichen und eine effiziente Lastverteilung in der Cloud zu realisieren. Die prototypische Implementierung zeigt, dass eine Migration mit aktuellen FPGA-Architekturen möglich, aber mit Kosten in Form von FPGA-Ressourcen verbunden ist. Des Weiteren wird mittels Simulation untersucht, ob die in einem komplexen Anwendungsszenario angewendete Migration auch in einem größeren Cloud-System zu einer effizienteren Auslastung der Ressourcen beitragen kann. Zusammenfassend ist sowohl durch die entwickelte Virtualisierung als auch durch die Möglichkeit einer Migration die Einsparung von Hardware-Ressourcen und somit auch Energie in einem modernen Cloud-System möglich.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:31033 |
| Date | 30 August 2018 |
| Creators | Knodel, Oliver |
| Contributors | Spallek, Rainer G., Schölzel, Mario, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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