FPGAを含む計算資源管理のためのオペレーティングシステム基盤

用于管理包括 FPGA 在内的计算资源的操作系统平台

• 批准号: 20K11751
• 负责人: 追川 修一
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Advanced Institute of Industrial Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K11751/
• 关键词: ソフトウェア; オペレーティングシステム; 計算機システム

2022年度は、FPGAを含む計算資源の多重化を実現する開発環境の開発ならびに評価についての研究を行った。本研究では、FPGAは1つのプロセスが占有して使用するものであり、他のFPGAを使用するプロセスは実行を開始することができないという問題点を解決するため、計算資源としてはCPUはFPGAを代替する、またその逆も成り立つという、CPUとFPGAを並列に考えるという概念を取り入れることで、必要とする計算資源が占有されている場合は、他の利用可能な計算資源を用いて実行するという選択肢を得ることで、計算資源全体での多重化を可能にしている。そのための開発環境として、単一のプログラムから複数の利用可能な計算資源で実行可能なバイナリ等を生成できる環境が必要となる。そのプログラムから、CPUについてはコンパイルして実行可能バイナリを生成し、FPGAについては高位合成(HLS)によりFPGA回路に変換してIPを生成する開発環境の開発を行った。開発環境は、複数のオペレーティングシステム間でのポータビリティを考慮し、Dockerを用いて開発を行った。評価には汎用性を重視し、Windowsを用いて行った。WindowsではDocker for WindowsとWSL2上のDockerの2通りの方法を用いることができるため、それら両方に開発環境を構築し、比較を行った。プログラムのソースコードをどこに配置するかが開発効率に影響するため、ホスト環境にソースコードを配置するかたちで生成時間を計測したところ、Windows上にソースコードを配置するDocker for Windowsよりも、WSL2上のUbuntuにソースコードを配置するWSL2上のDockerの方が約3倍高速であり、開発環境としてはWSL2を用いる方が有効であることを明らかにした。

2022年度，我们对实现包括FPGA在内的计算资源的复用的开发环境的开发和评估进行了研究。在本研究中，为了解决FPGA被一个进程独占使用而使用其他FPGA的进程无法启动执行的问题，CPU使用FPGA作为计算资源的替代，反之亦然。通过合并考虑CPU和FPGA并行的概念，如果所需的计算资源被占用，您可以选择使用其他可用的计算资源来执行计算，这使得跨资源复用成为可能。作为用于此目的的开发环境，需要能够生成能够使用来自单个程序的多个可用计算资源来执行的二进制文件等的环境。从这个程序中，我们开发了一个开发环境，可以编译CPU以生成可执行二进制文件，并使用高级综合（HLS）将FPGA转换为FPGA电路以生成IP。开发环境采用Docker开发，考虑到多个操作系统之间的可移植性。评估是使用Windows 进行的，重点是多功能性。在Windows上，可以使用两种方法：Docker for Windows和Docker on WSL2，因此我们为两者构建了开发环境并进行了比较。程序源代码放置在哪里会影响开发效率，因此当我们通过将源代码放置在主机环境中来测量生成时间时，我们发现在 WSL2 上比将源代码放置在 Windows 上的 Docker for Windows 上更快。据透露，在 Ubuntu 上部署源代码的 Docker on WSL2 速度大约是原来的三倍，并且使用 WSL2 作为开发环境更加有效。

项目成果

Operating System Framework for Transparent Execution on a CPU and FPGA

在 CPU 和 FPGA 上透明执行的操作系统框架

• 发表时间: 2021
• 作者: 更田 裕司;森田 行則;Shuichi Oikawa
• 通讯作者: Shuichi Oikawa

Operating System Resource Management for FPGA

FPGA 操作系统资源管理

• 发表时间: 2020
• 作者: 田中 和也;門田 暁人;Zeynep Yucel;高井利憲;三宅 武将，福間 慎治，森 眞一郎;Satoshi Fujita;Shuichi Oikawa
• 通讯作者: Shuichi Oikawa