[发明专利]一种实现FPGA服务器的方法和系统

说明书

本发明提出一种实现FPGA服务器的方法和系统，通过主控底板实现对服务器内所有SoC FPGA计算节点资源的集中监控与管理，该主控底板包括：多个自定义管理接口，分别用于连接SoC FPGA计算节点，为该SoC FPGA计算节点提供供电和数据交换；管理网络交换模块，用于互连SoC FPGA计算节点并提供管理网络；核心控制单元，用于通过自定义管理接口及自定义管理接口协议对该SoC FPGA计算节点进行管理，并基于该管理接口协议获取该SoC FPGA计算节点的运行参数，以管理监控该SoC FPGA计算节点。本发明的优点在于：通过自定义管理接口协议实现对SoC FPGA计算节点进行更全面、更复杂、更灵活的控制与监管；管理平面网络与用户数据平面网络相互独立，提高带宽性能，并提高数据安全性。

技术领域

本发明涉及计算机体系结构以及FPGA(现场可编程门阵列)异构加速领域，特别涉及一种实现FPGA服务器的方法和系统。

背景技术

半导体工艺的发展速度逐渐成为制约计算机系统性能的瓶颈，传统的串行处理技术已经不能满足人们的需求，人们开始把注意力放在可并行计算的FPGA上。FPGA以其高能效和可多次编程的优势，逐渐成为突破现有系统性能瓶颈的解决方案。在媒体压缩、加解密、AI、大数据处理等领域，FPGA方案较传统CPU和GPU，往往可达到几倍甚至几十倍的能效提升。然而FPGA开发的技术门槛较高，搭建FPGA硬件平台更是高成本，长周期，如此的使用门槛，很难适应瞬息万变的市场经济。为了追求经济与效益的最优化，FPGA云平台应运而生，运营商为用户提供稳定的FPGA硬件平台以及一整套的开发环境，用户支付相对较低的价格就可以使用到高端的FPGA资源，快速的开始项目的开发工作。在最近几年，FPGA云的发展尤为迅猛，亚马逊在2017年4月宣布FPGAEC2实例F1正式上线，同年国内互联网巨头BAT、华为也纷纷宣布开展FPGA云加速器业务，这一波FPGA云风势之猛可见一斑。

目前就现有的主要运营商的FPGA云平台，其基本框架如图1所示，主要分三部分：客户端、服务端和FPGA节点端。客户端安装在用户的本地PC上，也可以通过网页登录使用云平台，客户端与服务端通过互联网进行数据交互。服务端主要由一台x86(或ARM、Power等架构)服务器组成，服务端集成了应用程序开发、FPGA加速逻辑开发所需的全套开发工具，运营商将x86服务器与FPGA节点作为一个整体提供给用户使用，FPGA节点只包含逻辑资源。即现有技术提供给用户的是一个包含FPGA加速卡的x86服务器，FPGA加速卡与x86服务器通过标准的PCIe相连。现有FPGA云服务器提供给用户的是一个x86服务器，只是这个x86服务器比较特别，插一个FPGA加速卡，用做硬件加速。

服务端与FPGA节点端通过PCIe接口进行数据交互，受限于接口形式，FPGA节点需部署在x86服务器机箱里，一台x86服务器根据自身机箱尺寸以及主板PCIe的接口数量，可部署的FPGA节点数量通常不会超过8个。如亚马逊的FPGA EC2实例F1，每个F1实例计算池上最多可配置8个FPGA节点。在现有的云框架下，FPGA节点很难进行高密度的部署，如果进行大量部署，需要大量的x86服务器，部署成本高，且占用大量的物理空间。

现有云平台将x86服务器与FPGA节点作为一种资源提供给用户，用户可以在x86服务器中开发自己的应用软件，也可以在x86服务器中完成FPGA加速逻辑的开发。开发完成后，x86服务器与FPGA节点作为一个整体，为用户提供一个高性能的网络加速服务器。这种使用模式偏商业化，针对不同的用户群体，这种模式并不是最优的，如果用户使用FPGA云平台的目的不是得到一个可以进行网络加速的服务器，而仅仅是想学习或者使用FPGA板卡进行FPGA逻辑的开发(比如教学领域)，对x86服务器并没有太大的需求，在这种场景下，x86+FPGA节点这种架构显然有些浪费。

此外，商用服务器本身的设计理念并不是以部署FPGA节点为目的，所以在FPGA节点的部署、管理和使用上并不灵活(比如动态的给多个FPGA节点上电和下电)。现有的FPGA云平台很难高密度的部署FPGA节点；针对特定的用户群体，会造成x86服务器资源的浪费；在现有框架下管理和使用FPGA节点并不灵活。