Hitek Systems aborda la demanda de placas de aceleración basadas en FPGA

Resumen ejecutivo

Tras el lanzamiento de la familia FPGA Intel® Agilex en el 2019, actualmente conocida como las FPGA de 7nm de mayor desempeño de la industria¹, Hitek Systems se esforzó por incorporar las FPGA Intel Agilex en su propia línea de aceleradores de alto desempeño (HiPrAcc™). Después de evaluar sus flujos actuales de diseño y desarrollo de placas, Hitek Systems concluyó que la estandarización de sus flujos de desarrollo para maximizar la reutilización y acelerar el tiempo de comercialización captaría mejor la creciente demanda de aceleradores equipados con FPGA.

Para ello, Hitek Systems integró la infraestructura de hardware y software Open FPGA Stack (OFS) de código abierto. El uso de componentes de hardware y software OFS básicos, junto con la documentación técnica de código abierto, ayudó a facilitar el flujo de desarrollo y a aumentar la reutilización y la portabilidad en toda su familia de aceleradores PCIe.

Gracias al uso de la infraestructura OFS, Hitek Systems dispone actualmente de dos plataformas aceleradoras equipadas con Intel Agilex 7 FPGA, a las que se sumarán otras en 2023 y 2024.

Antecedentes y desafíos

Hitek Systems es una empresa con sede en Germantown, Maryland, que especializa en placas y plataformas de desarrollo de última generación y equipadas con FPGA, núcleos de propiedad intelectual (IP) de redes y corrección de errores hacia adelante (FEC), firmware FPGA, servicios de diseño FPGA, controladores de dispositivos e interfaces de programación de aplicaciones (API). Hitek Systems desarrolla todo dentro de sus instalaciones, lo que les permite disponer de un modelo empresarial flexible que puede aprovecharse para agilizar el tiempo de comercialización para el desarrollo de placas personalizadas.

Intel presentó la familia FPGA Intel Agilex en el 2019. Desde entonces, la familia FPGA Intel Agilex se ha ampliado para incluir bajos a altos consumo de energía y densidades lógicas en varias aplicaciones. La serie FPGA Intel Agilex 7 incorpora las FPGA de mayor desempeño de la industria, ya que ofrecen un desempeño de tejido por vatio aproximadamente 2 veces mejor que las FPGA de 7nm de la competencia¹. Actualmente, las FPGA de Intel Agilex 7 y las de sistema integrado en chip están disponibles en las series F, I y M, y están pensadas para una amplia gama de aplicaciones con uso intensivo de ancho de banda, de memoria e informático, respectivamente.

Actualmente, las familias FPGA Intel Agilex continúan ofreciendo el mayor desempeño de la industria y se han convertido en un elemento básico de la industria FPGA por su excelente desempeño y eficiencia energética. En consecuencia, la demanda de tarjetas de aceleración equipadas con Intel Agilex FPGA, en particular las que habilitan los flujos de desarrollo de alto nivel con oneAPI, ha aumentado recientemente.

Sin embargo, desarrollar placas personalizadas y equipadas con FPGA desde cero es complicado y conlleva mucho tiempo, y más aún cuando se trata de placas equipadas con FPGA de alto desempeño que superan los límites del desempeño de las tarjetas PCIe. Además, la migración de los diseños FPGA existentes a los de otros proveedores u otros modelos también es una tarea muy difícil debido a las diferentes IP, las herramientas, las bibliotecas y el hardware integrado, como la doble velocidad de datos (DDR), el procesamiento digital de señales (DSP) y las E/S, que varían entre los fabricantes y las familias de FPGA.

Sin una infraestructura reutilizable y estandarizada, las múltiples placas personalizadas requieren que la creación, el desarrollo y el mantenimiento de múltiples paquetes de soporte de placa (BSP) se realice por separado. También se necesitan API y herramientas de software personalizadas para cada tarjeta FPGA, lo que dificulta la gestión y el mantenimiento de todas las familias de FPGA y las versiones de herramientas. Esta variedad de tarjetas, que usan diferentes API, herramientas y versiones, también exige un alto nivel de asistencia al cliente.

Para aprovechar la tecnología FPGA más reciente y de mejor desempeño, satisfacer la demanda de este mercado y comercializar más pronto nuestras soluciones, Hitek Systems consideró necesario adoptar un enfoque estandarizado y unificado para su cartera de placas.

Solución

Para ayudar a los proveedores de placas y cargas de trabajo de FPGA a escalar y lanzar sus soluciones al mercado con mayor rapidez, Intel ha desarrollado y abierto la infraestructura de OFS, una herramienta fundamental para el desarrollo con Intel Agilex FPGA. OFS ofrece todo el código fuente de hardware y software, la documentación, los ejemplos de referencia y las herramientas necesarias para impulsar el desarrollo basado en FPGA en un repositorio de GitHub de código abierto. Esta infraestructura de referencia incorpora todos los componentes necesarios que los desarrolladores de placas pueden modificar o aprovechar.

La infraestructura de OFS ofrece un enfoque unificado para la creación y el mantenimiento de BSP en toda la familia de placas HiPrAcc de Hitek Systems. Esta infraestructura de OFS consiste en un Administrador de Interfaz de FPGA (FIM), comúnmente llamado “shell”, y una región de Unidad Funcional de Acelerador (AFU) destinada al desarrollo de cargas de trabajo. Gracias a OFS, los desarrolladores de placas o FIM, pueden aprovechar la infraestructura de código abierto, o FIM base, para desarrollar rápidamente una FIM personalizada que se adapte a sus placas según la aplicación o industria objetivo. Del mismo modo, OFS incluye un marco de software de código abierto, en el que los desarrolladores pueden aprovechar los controladores de kernel enviados “upstream”, y de código abierto, para acelerar la integración en marcos de trabajo comunes. OFS ofrece otras capacidades, como la reconfiguración parcial, los flujos de desarrollo de alto nivel como oneAPI y las interfaces estándar Arm AMBA* y AXI. También permite a los desarrolladores de placas implementar una interfaz AFU uniforme, lo que permite a sus clientes desarrolladores de AFU aprovechar su inversión en propiedad intelectual en diferentes placas FPGA.

Al adoptar la infraestructura y el flujo de desarrollo de OFS, y al utilizar las FIM base proporcionadas, Hitek Systems encontró una mayor estandarización y portabilidad en todas las familias de FPGA y los flujos de herramientas, lo que nos permitió desarrollar nuestros BSP rápidamente, reutilizarlos en más plataformas y ofrecer a nuestros clientes una experiencia de diseño de AFU uniforme y predecible.

Resultado

Hitek Systems está desarrollando y comercializando una familia de aceleradores de alto desempeño: los HiPrAcc. Los mismos están equipados con las FPGA Intel Agilex 7 y pensados para aplicaciones de redes, de computación y de almacenamiento en tarjeta. Estas tarjetas están disponibles en una variedad de factores de forma basados en PCIe, como los de perfil bajo (HHHL-SS), altura completa (FHHL-SS) y perfil de GPU (FH¾L-DS). Las tarjetas de perfil de GPU están diseñadas para instalarse en cualquier servidor que sea compatible con las GPU NVIDIA.

Hitek Systems también está desarrollando otras dos tarjetas PCIe HiPrAcc con las FPGA Intel Agilex 7 serie F y serie I con R-tiles y F-tiles. La producción de estas placas adicionales comenzará a finales del 2023.

Cómo comenzar con la aceleración de FPGA con Open FPGA Stack

Los desarrolladores de FPGA pueden elegir entre las placas HiPrAcc NC100 o HiPrAcc NCS200 OFS de Hitek Systems, y utilizar la documentación y el código fuente de código abierto para empezar a desarrollar su carga de trabajo personalizada.
La siguiente tabla describe cómo un desarrollador puede iniciar el desarrollo de cargas de trabajo, basado en las FPGA, con una placa de aceleración de Hitek Systems.