SAF: 用于 FPGA 动态灵活扩展的可扩展加速框架
分布式、并行与集群计算
2025-03-04 v1
摘要
由于硬件灵活性、低延迟和低能耗，FPGA 在云计算和边缘计算环境中正日益获得关注。然而，现有的 FPGA 硬件栈以及主机-FPGA 连接方式不支持灵活扩展和多设备同时重配置，这限制了 FPGA 在大规模场景下的应用。本文提出了 SAF——一个基于以太网的可扩展加速框架，允许 FPGA 以独立方式热插拔到网络中而无需连接本地主机 CPU，从而实现灵活的可扩展性。SAF 提供了一个定制的 FPGA 外壳和一组以太网协议，使 FPGA 能够与远程主机连接以加速应用内核。SAF 可以同时配置多个 FPGA，显著减少了扩展过程中的重配置时间。我们使用 Intel FPGA SDK for OpenCL 和 20 张配备 Arria-10 FPGA 的 Bittware 385A 卡实现了 SAF 框架。我们对一个案例研究进行了分析，并进行了实验以将 SAF 与最先进的 FPGA 多机集群进行比较。结果表明，SAF 相比顺序 PCIe 编程提供了 13 倍更快的重配置速度，降低了 38% 的硬件设置成本、25% 的应用运行时间和 27% 的能耗。我们使用 HPCC FPGA 基准套件中的 PTRANS 基准测试评估了 SAF 的性能可扩展性，并在强扩展和弱扩展场景中展示了接近线性的加速比。
引用
@article{arxiv.2503.00974,
title = {SAF: Scalable Acceleration Framework for dynamic and flexible scaling of FPGAs},
author = {Masudul Hassan Quraishi and Michael Riera and Fengbo Ren and Aman Arora and Aviral Shrivastava},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.00974},
year = {2025}
}