Das MANGO-Projekt

Die Bedeutung von FPGAs für High-Performance-Computing

18.01.17 | Autor / Redakteur: Philipp Ampletzer / Johann Wiesböck

Das proFPGA quad Motherboard mit Virtex®-7 FPGA-Modulen: proFPGA System ist ein äußerst flexibles und skalierbares High-Performance-FPGA-System und eine der leistungsfähigsten Multi-FPGA-Plattformen auf dem Markt.
Das proFPGA quad Motherboard mit Virtex®-7 FPGA-Modulen: proFPGA System ist ein äußerst flexibles und skalierbares High-Performance-FPGA-System und eine der leistungsfähigsten Multi-FPGA-Plattformen auf dem Markt. (Bild: PRO DESIGN Electronic)

Im EU-Förderprojekt MANGO werden Multi-Kern-Architekturen für zukünftige High-Performance-Computing-Systeme erforscht. Im Projekt wird ein neuer Ansatz verfolgt, verschiedene Prozessor-Kerne wie High-End-CPUs, Graphikprozessoren und FPGAs zu kombinieren, um höchst anspruchsvolle Anforderungen verschiedenster Anwendungen zu erfüllen.

Das MANGO-Projekt wird von der EU im Rahmen des H2020-FETHPC-2014 Programms gefördert. Die Projektleitung hat die Universitat Politécnica de Valéncia (Spanien). Zum MANGO-Konsortium gehören zudem Centro Regionale Information Communication Technology und Politecnico di Milano (beide Italien), University of Zagreb (Kroatien), PRO DESIGN Electronic GmbH (Deutschland), Thales Communications & Security S.A.S. und EATON (beide Frankreich), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Schweiz) sowie Philips Healthcare (Niederlande).

Dieses Projekt verfolgt den Ansatz einen großen heterogenen High-Performance-Computing-Prototypen zu bauen, welcher auf modernen High-End-Prozessoren (CPUs), Graphikprozessoren (GPUs), low-power ARM-Prozessoren und FPGAs basiert. Der Prototyp hat eine gemeinsame Verbindungsarchitektur, um alle Komponenten effizient zu verbinden sowie ein innovatives Kühl- und Power-Monitoring-System.

MANGO hat sich zum Ziel gesetzt Multi-Kern-Architekturen für künftige HPC-Systeme zu erforschen. Die Idee dabei ist ein wieder-konfigurierbares HPC-System zu schaffen, welches die Anforderungen verschiedenster Applikationen mit unterschiedlichen Anforderungen erfüllt. Die Herausforderung besteht darin, die jeweils beste Kombination aus verfügbaren Rechnereinheiten (CPUs, GPUs und FPGAs) zu finden. Dabei ist muss insbesondere auf Stromverbrauch, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit geachtet werden wie das folgende 3P-Modell zeigt. Gleichzeitig soll die Benutzerfreundlichkeit durch das Verbessern von Programmierbarkeit, Integration und Servicequalität (QoS) optimiert werden.

Das MANGO-System besteht aus drei Teilen – Hardware, Software und Applikationen. Die MANGO-Hardware beinhaltet universale Rechnerknoten (GNs), bestehend aus Blades mit CPUs und GPUs, sowie heterogene Beschleunigungsknoten (HNs) aus ARM-Prozessoren und FPGAs. Eine gemeinsame Verbindungsinfrastruktur ermöglicht es alle Komponenten effizient zu verbinden.

Zusätzlich gibt es ein Software-Paket basierend auf einem Linux-Betriebssystem. Dieses besteht aus Compilern und Programmiermodellen für die verschiedenen Rechnereinheiten sowie einem Ressourcen-Manager, der die zu verarbeitenden Daten analysiert und die beste Kombination der Rechnereinheiten auswählt und zuordnet. Der Ressourcen-Manager wird durch ein Programm kontrolliert, welches laufende Prozesse, Status, Betriebstemperatur und Stromverbrauch berücksichtigt.

Der dritte Teil des MANGO-Systems sind Anwendungen und reale Fallstudien zur Verifikation neuer Architekturen. Dazu gehören Applikationen aus den Bereichen Transcodierung, Medizintechnik, Imaging, Sicherheit, Big-Data und Kommunikation.

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