超軽量なOS技術を用いたクラウド環境におけるFPGA仮想化基盤の研究

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K24360
• 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): 2019-08-30 – 2021-03-31
• Keywords: FPGA / ヘテロジニアスコンピューティング / ユニカーネル / クラウド環境 / OS

Outline of Annual Research Achievements

本年度は提案方式の評価方法とプロトタイプのシステム設計の検討を進めた。まず、評価における提案方式の比較対象として、従来の仮想マシン(VM)に対して物理的なFPGAボードを直接割り当てるPCIパススルー方式を利用可能にした。具体的には、前年度に構築したFPGA搭載サーバ上でハイパーバイザ (KVM) を用いてVMを稼働し、そのVMへPCIパススルーでFPGAを割り当て、行列乗算などのベンチマークをVM上で実行できることを確かめた。PCIパススルーではホストOS上でFPGAアプリケーションを直接実行する場合とほぼ同等の処理性能となる。これは仮想化を行わず、単一VMがFPGAを占有するためである。一方、提案方式では複数VM/アプリによるFPGA共有を可能にするが、仮想化オーバヘッドによって処理性能が低下する可能性がある。本研究の評価では、PCIパススルー環境と提案方式の処理性能を比較し、提案方式がFPGA仮想化を実現しつつどこまでオーバヘッドを抑えられるかを検証する。これにより、提案方式の優位性を明らかにできる。
次に、提案方式のシステム設計の詳細を検討し、特にユニカーネルスケジューラの設計を大幅に変更した。当初の予定ではスケジューラはKVM本体を拡張し実装する予定だったが、これをホストOS上で動作するプロセス (デーモン) として再設計した。データセンタなどの大規模分散システムは複数のサーバで構成される。そこで再設計後のスケジューラは個々のノード上でデーモンが稼働し、デーモン同士がネットワーク経由でスケジューリング情報を共有する。これによりノード間でのタスク割り当て変更などのより柔軟な資源管理が可能になる。
申請者の海外転勤に伴い本研究課題は一時中断となるが、帰国後に再開する予定である。再開後は提案方式のプロトタイプ実装と評価を完了し、得られた成果をまとめ国内研究会や国際会議に論文を投稿する予定である。