FPGA w chmurze - Amazon EC2 F1 - logika programowalna dla każdego

Na ostatniej konferencji re:Invent organizowanej od kilku ładnych lat przez firmę Amazon pojawił się ciekawy smaczek Amazon EC2 F1 instances with field programmable gate arrays (FPGA). Chciałbym wypowiedzieć się na ten temat, bo uważam, że jest to kolejny krok milowy w dziejach rozwiązań dedykowanych, które dotyczą programowalnej elektroniki. A tam gdzie jest software oraz hardware jest też moje zainteresowanie ;-) szczególnie, kiedy jest wzmianka o develop, simulate, debug, and compile your hardware acceleration code

Tym wpisem chciałbym przybliżyć tych, którzy nie widzą co to FPGA i do czego można tego wynalazku użyć. Wspomnę też o płytkach rozwojowych, na których można ćwiczyć programowanie matryc programowalnych. Jako smaczek dnia zapodam swoją wizję użycia FPGA w chmurze - Amazon EC2 F1 a dokładnie jaką widzę przyszłość chmur internetowych wspieraną przez matryce programowalne.

Jakie rozwiązania poprzedzały FPGA ?

Jest to sprzęt w elektronice nazywany reprogramowalną macierzą, w której można odwzorować układy logiczno sekwencyjne bez specjalnego lutowania ich, czyli wykonywania projektowania obwodów drukowanych i montażu podzespołów bazowych, w tym układów z bramkami logicznymi. W latach 80-tych do późnych 90-tych poprzedniego wieku używało się układów TTL oraz w bogatszych wersjach MOS i CMOS, które miały określone bramki, poprzez ścieżki na płytce łączyło się bramki w układy sekwencyjno-logiczne i dawało to efekt jak poniżej prosta płyta główna CPU zbudowana z bramek:

Na drodze rozwoju matryc programowalnych były jeszcze układy PLD i CPLD, które były bardzo dobrym wstępem FPGA. Kiedyś używałem PLD do dekodowania adresów w systemach mikroprocesorowych MCS-51. Wyglądało to dość obiecująco, kiedy równanie logiczne można było wypalić w układzie wielokrotnie podczas dopracowywaania prototypu.

A tak wyglądał prototyp z układem CPLD, który umożliwiał eksperymentowanie i uruchamianie macierzy logicznych (1 układ scalony zamiast ~40 - patrz na drugi obrazek powyżej):

Czym jest FPGA ?

Prześledziliśmy historię i doszliśmy do FPGA, czyli układów charakteryzujących się strukturą, która jest prostokątną macierzą elementów składającą się z części logicznych nazywanych komórkami. Komórki umieszczone są w otoczeniu komutacyjnym kanałów połączeniowych. Dzięki zastosowaniu standaryzacji można te układy programować i nadawać im przeznaczenie w dowolnym momencie zmieniając ich wnętrze.

Układy FPGA używane są w cyfrowym przetwarzaniu sygnałów, lotnictwie i wojsku, w fazie prototypowej układów ASIC i w wielu innych dziedzinach. Aby zdefiniować zachowanie układu FPGA używa się języka opisu sprzętu takiego jak Verilog czy VHDL. Następnie przy pomocy narzędzi syntezy generuje się listę połączeń, która potem w procesie implementacji jest odwzorowywana w konkretnym układzie. Należy zwrócić uwagę, że proces syntezy dopuszcza tworzenie układów logicznych dowolnych rozmiarów, podczas gdy proces implementacji jest próbą wpisania go do konkretnego układu FPGA, gdzie może zabraknąć zasobów do realizacji zadanej logiki. Dlatego większość środowisk pozwala na przeprowadzenie pełnej symulacji działania i rozmieszczenia bramek na macieży FPGA. W oprogramowaniu firmy Altera wygląda to tak:

Jak zaprogramować FPGA ?

W celu zdefiniowania działania naszej logiki na układach FPGA używamy języka opisu sprzętu HDL takiego jak Verilog czy VHDL. Producenci układów FPGA udostępniają nieodpłatnie bardzo zaawansowane symulatory i kompilatory, które ułatwiają uruchomienie wytworzonej macierzy na układzie FPGA. Oto lista popularnych symulatorów HDL dla FPGA. Oto filmik pokazujący jak dalece zaawansowane są takie środowiska do symulacji FPGA:



Warto wspomnieć o tym, że FPGA to świat, w którym można zrealizować wiele różnych przedsięwzięć. Np. chcemy mieć ATARI lub inną architekturę to w serwisie Open Cores znajdziemy wiele projektów związanych z ciekawymi tematami wokół logiki programowalnej. Przykład starych mikrokontrolerów jest błachy, gdyż coś co rzuca się w ochy na OpenCores to PicoBlaze, czyli procesor zbudowany pod FPGA / ASIC i umożliwiający zrównoleglanie obliczeń, kiedy takich procesorów softwarowych na jednen układ FPGA wrzucimy np: kilka tysięcy :-) Tak, to jest możliwe i jeszcze jedno: tak działają karty graficzne GPU, które posiadają często układy ASIC i potrafią się przeprogramowywać w locie zależnie od zastosowania. A jak wiadomo GPU w obliczeniach przoduje i to dzięki mocy reprogramowanych matryc mamy takie wielkie krajowe produkty jak np: gra Wiedźmin wykorzystujące moc GPU. Do innych typów jednostek należą procesowy sygnałowe DSP, dla których też jest wiele propozycji na stronie Open Cores. A co ciekawe popularne stają się bardzo układy kryptograficzne oparte na FPGA, co w świecie szyfrowanych połączeń i zmierzchu HTTP/2 coraz bardziej nabiera na wartości :-)

Jakie moduły do nauki FPGA polecam ?

Oto lista płytek z FPGA, które mogę polecić. Bawiłem się DE10-Lite Board i uważam to za pełen wypas na początek przy relatywnie niskiejj cenie w stosunku do możliwości. Wygląda to tak:

Nie przypadkowa jest też możliwość podłączania modułów w formie wyprowadzeń modułów dla Arduino Uno.
Na płytce znajdziecie: 2x20 GPIO, ADC, SDRAM, akcelerometer, wyjście VGA, wyświetlacze 7-segmentowe, przełączniki. To wszystko + 50000 elementów logicznych do zaprogramowania stwarza optymalne warunki deweloperskie.

Co robi FPGA wśród usług firmy Amazon ?

Niewątpliwie karierę konkurencyjną w świecie chmur i wirtualizacji wszystkiego co możliwe w IT. Dodatkowo ułatwia programistom FPGA eksperymenty. Najpewniej otwiera nowe okno w świecie symulatorów i prototypów, których zbudowanie to był dla wielu innowacyjnych firm ogromny krok milowy.

Co może zrobić użycie "FPGA in the Cloud" w niedalekiej przyszłości ?

W zastosowaniu Cloud widać trendy związane z obliczeniami, czyli przetwarzanie dedykowanymi algorytmami obrazów/dźwięków/filmów/danych. Jak można sobie wyobrazić serwerownia przyszłości może zawierać klocki zmieniane w ramach potrzeb, bo przeprogramujemy sobie FPGA i mamy wydajny system do obsługi storage, a np: nocą w ramach przestojów przetwarzamy obrazki i przerzucamy instancję na inny tryb, która jest lepiej utylizowana w tych zadaniach batchowych. Daje to nam obraz wyprzedzający to co mamy dzisiaj: do masowego przetwarzania obrazków (lub AI) najlepszy będzie rack z kartami GPU. Jeśli chcemy taniej to teraz wiele tańszych skrzynek przeznaczamy do czegośtam a może wystarczą dwie instacje F1 nafaszerowane różnymi dziedzinowymi blokami i to pospinane z logiką usług backendowych.
Ta wizja związana z F1 to początek innego sposobu (softwerowego) patrzenia na możliwości rekonfiguracji dedykowanych usług. Kto wie, czy po czasie nie stanie się to tańsza metoda serwowania czegokolwiek, bo mając macierz można na niej osadzić softwerowe procesory do przetwarzania sygnałów, zbudować komórki pamięci, mostki, generatory sygnałów, AI, etc...
Zobaczymy, jak się to spopularyzuje, bo AWS market pokazuje, że będzie można używać lub kupować wiele gotowych aplikacji osadzanych na F1.
Wśród zainteresowanych F1 nie zabraknie pewnie górników BitCoin. Jeśli przy okazji dla nich zrobili w Amazonie usługę F1, to oddali wielki ukłon w stronę ich dziedziny. Na pewno chęć zysku kopaczy bitcoin spowoduje spływ kasy za czas działania na kopaniu instancji Amazon F1. Tak na serio to jest przykłąd spłycający możliwości FPGA i Amazon F1.