| Περίληψη |
Τις τελευταίες δεκαετίες, τόσο ο κλάδος της έρευνας, όσο και αυτός της βιομηχανίας
έχουν στραφεί προς την Υπολογιστική Υψηλών Αποδόσεων για να καλύψουν τις
αυξανόμενες ανάγκες τους για υπολογιστική ισχύ. Σε μία προσπάθεια να
υλοποιήσουμε ένα πλαίσιο επικοινωνίας υψηλής απόδοσης για ευρωπαϊκούς
υπερυπολογιστές, στα πλαίσια των ευρωπαϊκών προγραμμάτων ExaNeSt και REDSEA, σχεδιάζουμε μια νέα διεπαφή δικτύου χαμηλής καθυστέρησης (λιγότερο από
0,5 μs) και υψηλής παροχής (100 Gb/s), ικανή για απομακρυσμένες άμεσες
προσπελάσεις μνήμης.
Σε αυτήν την εργασία σχεδιάζουμε μια μηχανή υλικού για την βελτίωση της
παροχής υπηρεσιών (Quality of Service, QoS) μιας μηχανής Απομακρυσμένων
Άμεσων Προσπελάσεων Μνήμης (Remote Direct Memory Access, RDMA). Οι μεγάλες
μεταφορές δεδομένων χωρίζονται σε μικρότερα τμήματα, έτσι ώστε να επιτραπεί η
επιλεκτική αναμετάδοση δεδομένων, η χρήση πολλαπλών διαδρομών μέσα στο
δίκτυο, καθώς και να αποφευχθεί ο επιπλέον φόρτος που προκύπτει από
επιβεβαιώσεις λήψεων σε επίπεδο πακέτων. Οι μεταφορές μικρού μεγέθους
μπορούν να παρακάμψουν την διαδρομή RDMA-DRAM, ελαχιστοποιώντας
περαιτέρω τον χρόνο ολοκλήρωσής τους. Προγραμματίζουμε τις μεταφορές σε
επίπεδο τμημάτων, βασιζόμενοι σε σειρά προτεραιότητας που καθορίζεται από τον
χρήστη, και υποστηρίζουμε διαχείριση συμφόρησης του δικτύου. Επιπροσθέτως,
παρέχουμε 2048 εικονικά κανάλια στον χρήστη για την έκδοση πολλαπλών εκκρεμών
αιτημάτων μεταφοράς δεδομένων, υλοποιούμε μια μηχανή ειδοποίησης
ολοκλήρωσης σε υλικό και εισάγουμε έναν νέο τρόπο μαζικής, διαδοχικής
διερεύνησης της κατάστασης πολλαπλών καναλιών.
Η υλοποίησή μας σε επίπεδο μεταφοράς καταχωρητών χρησιμοποιεί
ομοχειρία για να επιτύχει υψηλή συχνότητα ρολογιού και υψηλό ρυθμό αποστολής
μηνυμάτων (1 πράξη/κύκλο ρολογιού ή 150 MOP/s για υλοποίηση στην συστοιχία
επιτόπια προγραμματιζόμενων πυλών (Field Programmable Gate Array, FPGA) που
χρησιμοποιήσαμε), ενώ παράλληλα διατηρεί χαμηλούς χρόνους καθυστέρησης, 4
κύκλους ρολογιού για μεταφορές του ενός (1) τμήματος. Για να μειώσουμε
περαιτέρω τον χρόνο καθυστέρησης, υλοποιήσαμε πολλαπλές ουρές (32)
προγραμματισμού μεταφορών, σε κοινόχρηστο χώρο, οι οποίες υποστηρίζουν μια (1)
πράξη εξαγωγής και μία (1) εισαγωγής κόμβου από/στις ουρές ανά κύκλο ρολογιού,
καθώς και πράξεις εξαγωγής σε διαδοχικούς κύκλους ρολογιού.
Υλοποιήσαμε την εργασία στην FPGA του Zynq Ultrascale+ MPSoC της Xilinx.
Για την μηχανή βελτίωσης Ποιότητας Υπηρεσίας χρησιμοποιήθηκαν 13,3K
Προγραμματιζόμενες Πύλες (LUTs), 5,1K καταχωρητές και 23 μνήμες τυχαίας
προσπέλασης (848 kbits). Η μέγιστη συχνότητα που επετεύχθη ήταν 150 MHz,
μπορεί, ωστόσο, να βελτιωθεί περαιτέρω, ιδιαίτερα σε μία υλοποίηση πολύ μεγάλης
κλίμακας ολοκλήρωσης (Very Large Scale Integration, VLSI).
Εκτενείς δοκιμές για την επαλήθευση της λειτουργικότητας της μηχανής
πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το Vivado Design Suite. Η μηχανή QoS που
αναπτύχθηκε σε αυτή την διατριβή ολοκλήρωσε σε προσομοίωση 100K μεταφορές
δεδομένων, μεταβλητού μεγέθους, έως 1 ΜΒ. Επιπρόσθετα, ενσωματώσαμε την
μηχανή QoS με την μονάδα αποστολής σε έναν προσομοιωμένο πάγκο δοκιμών,
εκδίδοντας 5K εκκρεμείς μεταφορές, μεγίστου μεγέθους 256 ΚΒ (256 πακέτων), οι
οποίες ολοκληρώθηκαν και αυτές με επιτυχία. Σε αυτές τις δοκιμές εξετάσαμε κάθε
είδους μεταφορά, συμπεριλαμβανομένων των ροών υπό διαχείριση συμφορήσεως
και των ροών γρήγορης διαδρομής, και επαληθεύσαμε τον μηχανισμό ειδοποίησης
ολοκλήρωσης.
Η μηχανή RDMA υλοποιήθηκε στην FPGA του Zynq και ελήφθησαν μετρήσεις
απόδοσης από προγράμματα σε επίπεδο χρήστη, εκτελεσμένα στον επεξεργαστή
ARM A53 του Zynq. Ο χρόνος ολοκλήρωσης για μικρές μεταφορές έως 512 Byte
ανέρχεται στα 360 ns, κατά τη μεταφορά εντός κόμβου, από BRAM σε BRAM
(εξαιρουμένων των καθυστερήσεων δικτύου και DRAM), δέκα φορές χαμηλότερο
από τον αντίστοιχο χρόνο της μηχανής ExaNeSt RDMA, μιας προηγούμενης
υλοποίησης λογισμικού-υλισμικού στο ίδιο MPSoC, χρησιμοποιώντας τον
συνεπεξεργαστής ARM Cortex-R5 για να υποστηρίξει QoS. Επιπλέον, βελτιώσαμε
δραματικά τον ρυθμό μεταφοράς δεδομένων, επιτυγχάνοντας την μέγιστη
θεωρητική παροχή με μεταφορές των 16 KB, ενώ στην προηγούμενη υλοποίηση
απαιτούνταν μεταφορές των 4 MB. Τέλος, παρ ́ότι η μηχανή RDMA έχει δοκιμαστεί
και βελτιστοποιηθεί για διασυνδέσεις κεντρικού επεξεργαστή τύπου AXI, μπορεί
επίσης να συνδεθεί και με διασυνδέσεις τύπου PCI και CHI.
|
Συλλογές
