Light-weight and Flexible Live Migration for Cloud FPGAs

• Project/Area Number: 20K19776
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 60050:Software-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 小柴 篤史 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 特別研究員 (20845771)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: FPGA / クラウドコンピューティング / ユニカーネル / 負荷分散 / ライブマイグレーション / クラウド

Outline of Research at the Start

本研究では、データセンタなどのクラウド環境におけるプログラマブルロジック(FPGA)の利用効率向上を目的として、FPGAタスクの軽量なライブマイグレーション技術を提案する。提案方式では、FPGAタスクを軽量なライブラリOS(ユニカーネル)を用いて仮想マシンモニタ(VMM)上で直接稼働する。これによりハード/ソフト両方の挙動をVMMから低コストで監視・制御可能になり、タスク単位の高速なライブマイグレーションが実現できる。本マイグレーション技術を用いてマシン/FPGAの負荷状況に適したタスクの再配置方式を考案し、クラウドFPGAクラスタの高効率な負荷分散方式を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

初年度である本年度では、提案方式の実装・評価環境の構築および提案方式の優位性の検証を行った。まず、評価環境の構築について、データセンタ向けFPGAカードが接続されたx86サーバマシンを2台用意し、それらを同一ネットワークに接続して、更に代表的な仮想化ソフトウェアであるKVMハイパーバイザを導入した。これにより、仮想FPGAインスタンスを提供するクラウドサーバを想定した評価環境を構築した。次に本環境において、マイグレーション機能のないFPGAサーバにおけるアプリケーションの性能評価を行い、提案方式の優位性を検証した。具体的には、FPGAを利用する複数のアプリケーションを同じFPGA上で時分割方式で実行した時の処理時間を解析した。その結果、アプリケーションの切り替え時に必要となるFPGA回路の動的再構成によって、切り替えごとに数秒単位のオーバヘッドが生じることが確認された。このオーバヘッドは、提案するマイグレーション方式を実現することで低減することができる。これにより、提案方式によってFPGAアプリケーションの実行性能を向上できることを明らかにした。
申請者の海外転勤に伴い、本研究課題は今年度で一時中断となるが、帰国後に再開する予定である。再開後は、本年度に構築したクラウドFPGAサーバ環境を用いて、引き続き提案方式を実現する機能の設計やシステム実装、評価を進める予定である。また、得られた研究成果を国内研究会や国際会議で発表・報告する予定である。