Explorando a Portabilidade e Desempenho de Kernels HLS entre Intel e Xilinx
Título: Explorando a Portabilidade e Desempenho das Kernels HLS entre Plataformas de FPGA
Sumário
- Introdução
- O que são FPGAs e a necessidade de aceleradores de hardware
- High-Level Synthesis (HLS) e seu papel na programação de FPGAs
- Fluxo de trabalho tradicional para geração de hardware em FPGA
- Portabilidade e Desempenho em Designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx
- Nossas Contribuições neste trabalho
- Descrição das Kernels selecionadas para o estudo de portabilidade
- Modificações no código do host-site para as implementações Xilinx
- Portando otimizações de FPGAs Intel para designs OpenCL da Xilinx
- Resultados da portabilidade com um mínimo de esforço
- Exploração de otimizações adicionais para aumentar o desempenho
- Conclusão e Trabalhos Futuros
🧠 Introdução
Olá a todos! Neste artigo, vamos explorar a portabilidade e o desempenho das Kernels de High-Level Synthesis (HLS) entre as plataformas de FPGA Intel e Xilinx. Com as limitações impostas pela desaceleração da Lei de Moore, as FPGAs estão emergindo como aceleradores que permitem o desenvolvimento de soluções de hardware específicas para determinadas aplicações ou domínios. Além disso, as FPGAs permitem o design de hardware personalizado sem a necessidade de criar circuitos integrados específicos para cada aplicação. Neste trabalho, investigaremos a viabilidade de projetos HLS entre plataformas de FPGAs diferentes e avaliaremos o desempenho resultante dessa portabilidade.
💡 O que são FPGAs e a necessidade de aceleradores de hardware
As FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) são dispositivos semicondutores que podem ser programados ou configurados de maneira flexível após a fabricação. Eles contêm uma matriz de blocos lógicos configuráveis e blocos de Memória, que podem ser interconectados de várias maneiras para criar circuitos digitais personalizados e executar tarefas específicas de forma eficiente. Com o avanço da tecnologia e as limitações do processo de fabricação de chips, as FPGAs estão surgindo como uma solução poderosa para acelerar o processamento de certas tarefas e atender às demandas crescentes de desempenho computacional.
🌟 High-Level Synthesis (HLS) e seu papel na programação de FPGAs
A programação de FPGAs tradicionalmente requeria conhecimentos em baixo nível, como linguagens de descrição de hardware (HDL) e lógica combinacional. No entanto, com o advento da High-Level Synthesis (HLS), os desenvolvedores podem descrever seus designs de hardware usando linguagens de alto nível, como C ou C++. A HLS permite que o compilador faça a síntese e otimização automática do código para a implementação em FPGAs, abstraindo a complexidade dos detalhes de hardware. Isso torna a programação de FPGAs mais acessível para desenvolvedores de software tradicionais e acelera o processo de desenvolvimento.
📚 Fluxo de trabalho tradicional para geração de hardware em FPGA
Antes de explorar a portabilidade e o desempenho de designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx, é importante compreender o fluxo de trabalho tradicional para a geração de hardware em uma FPGA. Esse fluxo de trabalho envolve a definição do design em linguagens de baixo nível, como Verilog ou VHDL, e sua execução através de uma cadeia de ferramentas específica para a FPGA de destino. No final desse processo, um fluxo de bits (bitstream) é gerado e usado para configurar a FPGA. No entanto, a programação direta de FPGAs usando linguagens de baixo nível pode ser complexa e exigir um profundo conhecimento de design digital.
👥 Portabilidade e Desempenho em Designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx
Com a disponibilidade de ferramentas de HLS fornecidas pelas principais empresas de FPGA, como Intel e Xilinx, é teoricamente possível criar designs em uma plataforma e portá-los para a outra. Isso abriria novas possibilidades de reutilização de código e aceleraria o processo de desenvolvimento de hardware. No entanto, a Questão da portabilidade e do desempenho efetivo desses designs entre as duas plataformas ainda não foi amplamente explorada. Neste trabalho, começamos a explorar a seguinte pergunta: quão portáveis e eficientes são os designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx?
🏛 Nossas Contribuições neste trabalho
Neste trabalho, detalhamos nossa abordagem para a portabilidade de designs FPGA originalmente arquitetados usando OpenCL para a plataforma Intel para designs em OpenCL para a plataforma Xilinx. Além disso, apresentamos nossa experiência usando o ambiente Xilinx Vitis, que sucede o SDXl no processo de design HLS. Também contribuímos para a escassa literatura existente sobre designs OpenCL que visam FPGAs Xilinx.
No entanto, neste artigo, vamos nos concentrar nos dois primeiros pontos: descrever as kernels selecionadas para nosso estudo de portabilidade e discutir as modificações no código do host-site para as implementações Xilinx. Vamos mergulhar mais a fundo nesses aspectos-chave para entender as nuances da portabilidade e do desempenho das Kernels HLS entre essas duas plataformas de FPGAs.
[Recursos]
[Dúvidas Frequentes]
Q: Quais são as principais vantagens das FPGAs em relação a outros dispositivos semicondutores?
A: As FPGAs oferecem flexibilidade e reconfigurabilidade após a fabricação, permitindo que os desenvolvedores criem circuitos personalizados e acelerem determinadas tarefas de forma eficiente. Elas também não exigem o custo e a complexidade do projeto de circuitos integrados específicos para cada aplicação.
Q: O que é High-Level Synthesis (HLS) e como ela facilita a programação de FPGAs?
A: High-Level Synthesis é uma abordagem de programação de FPGAs que permite que os desenvolvedores descrevam seus designs de hardware usando linguagens de alto nível, como C ou C++. O compilador HLS traduz automaticamente esse código em implementações otimizadas em FPGA, abstraindo a complexidade dos detalhes de hardware.
Q: Quais são os desafios da portabilidade de designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx?
A: Embora teoricamente seja possível portar designs HLS entre FPGAs Intel e Xilinx, a portabilidade real depende de várias otimizações de hardware específicas de cada plataforma. Nem todas as otimizações podem ser diretamente mapeadas, o que pode exigir modificações adicionais no código para alcançar a mesma performance ou desempenho melhorado.
Q: Como a portabilidade e o desempenho são avaliados nesse estudo?
A: Neste estudo, avaliamos a portabilidade e o desempenho das kernels selecionadas em relação às suas versões originais de FPGA Intel. Comparamos o desempenho relativo ao implementar as kernels em uma plataforma Xilinx após a portabilidade bem-sucedida. Medimos a velocidade de execução das kernels em relação às suas respectivas versões de linha de base.
Q: Quais são as contribuições deste trabalho para o campo da computação FPGA?
A: As principais contribuições deste trabalho são: a abordagem de portabilidade de designs HLS entre Intel e Xilinx, a análise e modificação do código do host-site para uso em implementações Xilinx, o estudo das kernels selecionadas em relação à sua portabilidade e desempenho, e a ampliação da literatura existente em relação aos designs OpenCL que visam FPGAs Xilinx.