CN109753359B - 一种用于构建资源池的fpga板卡、服务器和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于构建资源池的FPGA板卡，包括：网络输入接口，配置用于接收网络包；网络输出接口；与网络输入接口和网络输出接口连接的解析模块，包括UDP网络协议实现层，其配置用于解析网络输入接口接收的网络包；以及与解析模块连接的计算模块，配置用于对网络包解析后的数据进行应用计算，其中，UDP网络协议实现层还配置用于对进行应用计算后的数据进行网络包处理；网络输出接口配置用于输出UDP网络协议实现层产生的网络包。本发明还公开了一种服务器和系统。本发明提出的用于构建资源池的FPGA板卡、服务器和系统可以使FPGA直接与其他服务器的FPGA进行通信，避免通过CPU调度，节约CPU计算资源，同时提高了网络流量的周转效率。

Description

一种用于构建资源池的FPGA板卡、服务器和系统

技术领域

本发明涉及云计算领域，更具体地，特别是指一种用于构建资源池的FPGA板卡、服务器和系统。

背景技术

在云计算时代，FPGA凭借其低功耗、高性能和快速重建构应用的特性被广泛应用于如机器学习、加密解密、压缩解压缩，因而在云计算数据中心大量部署。当前对于大量部署FPGA的主要方式是服务器的CPU将该服务器本地的FPGA管理和调度起来，并通过本地服务器的网络和其他服务器的CPU通信，来调度其他服务器的FPGA资源。但在云计算数据中心，CPU属于贵重的计算资源，本身承担着多种计算任务，而且现在大多数FPGA上都配置了网络，如果调度FPGA资源要通过CPU，则意味着从FPGA上的网络来的数据要先传递给CPU，再传回给FPGA，造成数据的反复传输，极易成为整个运行过程的瓶颈。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种用于构建资源池的FPGA板卡、服务器和系统，通过在FPGA芯片上实现轻量级的网络通讯协议，使FPGA可以直接与其他服务器的FPGA进行通信，避免通过CPU调度，节约CPU计算资源，同时提高了网络流量的周转效率。

基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种用于构建资源池的FPGA板卡，包括：网络输入接口，配置用于接收网络包；网络输出接口；与网络输入接口和网络输出接口连接的解析模块，包括UDP网络协议实现层，UDP网络协议实现层配置用于解析所述网络输入接口接收的网络包；以及与解析模块连接的计算模块，配置用于对网络包解析后的数据进行应用计算，其中，所述UDP网络协议实现层还配置用于对进行应用计算后的数据进行网络包处理；所述网络输出接口配置用于输出所述UDP网络协议实现层产生的网络包。

在一些实施方式中，FPGA板卡还包括交互接口，配置用于连接所述UDP网络协议实现层和所述计算模块。

在一些实施方式中，FPGA板卡还包括PCI-E接口，与所述交互接口连接，配置用于连接所述FPGA板卡和服务器。

在一些实施方式中，应用计算包括：机器学习、压缩解压缩和加密解密。

本发明实施例的另一方面，还提供了一种用于构建资源池的服务器，包括若干个如上述的FPGA板卡，其中每个FPGA板卡的网络输出接口连接到另外的FPGA板卡的网络输入接口或最终网络包输出端，每个FPGA板卡的网络输入接口连接到初始网络包输入端或另外的FPGA板卡的网络输出接口，以形成FPGA资源池。

在一些实施方式中，若干个FPGA板卡通过总线连接。

在一些实施方式中，若干个FPGA板卡均进行不同种类的应用计算。

本发明实施例的另一方面，还提供了一种包含FPGA资源池的系统，包括若干个如上述的服务器，其中每个服务器中的若干FPGA板卡的网络输出接口连接到其他服务器中的若干FPGA板卡的网络输入接口或最终网络包输出端，以形成FPGA资源池。

在一些实施方式中，不同服务器中的FPGA板卡通过网络连接。

在一些实施方式中，该系统配置用于进行机器学习、压缩解压缩和加密解密。

本发明具有以下有益技术效果：通过在FPGA芯片上实现轻量级的网络通讯协议，使FPGA可以直接与其他服务器的FPGA进行通信，避免通过CPU调度，节约CPU计算资源，同时提高了网络流量的周转效率。与通用的采用CPU调度FPGA的实现方式相比，本发明能够绕开CPU进行数据传输，并直接进行某些固定在FPGA上实现的计算，不但节约了贵重的CPU计算资源，而且提高了数据传输效率，进而提升了整个云计算数据中心的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本发明提供的用于构建资源池的FPGA板卡的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

基于上述目的，本发明实施例的第一个方面，提出了一种用于构建资源池的FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)板卡。图1示出的是本发明用于构建资源池的FPGA板卡的实施例的结构示意图。如图1所示，FPGA板卡包括：网络输入接口1，配置用于接收网络包；网络输出接口4；与网络输入接口1和网络输出接口4连接的解析模块2，包括UDP网络协议实现层，UDP网络协议实现层配置用于解析网络输入接口1接收的网络包；与解析模块2连接的计算模块3，配置用于对网络包解析后的数据进行应用计算，并且用于将进行应用计算后的数据传输到UDP网络协议实现层，其中UDP网络协议实现层进一步配置用于对进行应用计算后的数据进行网络包处理；网络输出接口4配置用于输出UDP网络协议实现层产生的网络包。

理论上可以将所有的应用计算集中在一个FPGA板卡上，但是考虑到实际上FPGA的运算能力不是很强，将所有应用计算集中在一个FPGA板卡上会大大降低FPGA的运算效率，因此，本实施例中包含多个FPGA板卡。本实施例中的多个FPGA板卡通过网络连接。

根据优选的实施例，每个FPGA板卡进行一种应用计算。为了保证每个FPGA板卡的运算效率，可以让每个FPGA板卡只进行一种应用计算。本实施例中的应用计算可以包括：机器学习、压缩、解压缩、加密和解密。但是，这并不是对应用计算的种类进行限定，在其他的实施例中，应用计算可以包括其他的种类。

本发明实施例中，通过UDP网络协议对网络包进行解析。UDP(User DatagramProtocol)表示用户数据报协议，是OSI(Open System Interconnection，开放式系统互联)参考模型中一种无连接的传输层协议，在网络中它与TCP(Transmission ControlProtocol，传输控制协议)协议一样用于处理数据包。UDP提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠性保证，适合于本发明中一次传输少量数据的形式。本发明实施例通过在FPGA上实现轻量级的UDP网络通信协议，使用FPGA板卡配置的网络接口与其他服务器的FPGA进行UDP通信，使得通过网络互连的多台服务器上的FPGA可构建为一个虚拟的FPGA资源池，需要处理的数据在资源池中高速流动，就好像是在同一个服务器中一样，可以提高如机器学习、加解密、压缩解压缩等固定应用场景的性能。

在FPGA上实现网络通信，能够绕开CPU进行数据传输，并直接进行某些固定在FPGA上实现的计算，不但节约了贵重的CPU计算资源，而且提高了数据传输效率，进而提升了整个云计算数据中心的效率。

本实施例中FPGA板卡还包括交互接口5，用于连接解析模块2和计算模块3。基于此，上述FPGA板卡还包括PCI-E接口6，与交互接口5连接，用于连接FPGA板卡和服务器，从而使得服务器可以对FPGA板卡进行供电和数据传输。

需要被FPGA处理的网络包从FPGA板卡上的网络输入接口1流入，并被导入到解析模块2，也即是轻量级UDP网络协议层进行协议处理。然后，经过解析的网络包中的数据被交互接口5导入到计算模块3，计算模块3中是已经被实现了的应用算法(比如解压缩)，在这个部分对数据进行相应的计算处理，并将计算处理后的结果数据传回交互接口5。最后交互接口5将结果数据传递给轻量级UDP网络协议层进行网络包处理，并传递给PFGA板卡上的网络输出接口2发出。而其发出的解压后的网络包可以流转到下一片FPGA进行进一步的处理，比如进行加密处理。同样处理后的加密数据可以导入再下一片FPGA进行其他计算，这样通过网络连接的若干FPGA就组成了一个可以完整处理一个工作流的FPGA资源池。

基于上述目的，本发明实施例的第二个方面，提出了一种服务器的实施例，包括若干个如上述的FPGA板卡，其中每个FPGA板卡的网络输出接口连接到另外的FPGA板卡的网络输入接口或最终网络包输出端，每个FPGA板卡的网络输入接口连接到初始网络包输入端或另外的FPGA板卡的网络输出接口，以形成FPGA资源池。若干个FPGA板卡可以通过总线连接。若干个FPGA板卡均进行不同种类的应用计算，这样可以增加FPGA的运行效率。

基于上述目的，本发明实施例的第三个方面，提出了一种包含FPGA资源池的系统的实施例，包括若干个如上述的服务器，其中每个服务器中的若干FPGA板卡的网络输出接口连接到其他服务器中的若干FPGA板卡的网络输入接口或最终网络包输出端，以形成FPGA资源池。不同服务器中的FPGA板卡通过网络连接。该系统配置用于进行机器学习、压缩解压缩和加密解密。

初始网络包从网络输入接口进入第一个FPGA板卡，第一个FPGA板卡对这些初始网络包进行解析，然后，经过解析的网络包中的数据被导入到应用计算部分，这部分是已经被实现了的应用算法(比如解压缩)，在应用计算部分对数据进行相应的计算处理，并将计算处理后的结果数据传递给PFGA板卡上的网络输出接口发出。而其发出的解压缩后的网络包可以流转到下一片FPGA进行进一步的处理，比如进行加密处理。同样处理后的加密数据可以导入再下一片FPGA进行其他计算，这样通过网络连接的若干FPGA就组成了一个可以完整处理一个工作流的FPGA资源池。

需要特别指出的是，上述利用FPGA板卡构建资源池的方法的各个实施例中的各个步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在实施例之上。最后需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关硬件来完成，执行上述方法的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(ROM)或随机存储记忆体(RAM)等。上述计算机程序的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。

此外，典型地，本发明实施例公开的装置、设备等可为各种电子终端设备，例如手机、个人数字助理(PDA)、平板电脑(PAD)、智能电视等，也可以是大型终端设备，如服务器等，因此本发明实施例公开的保护范围不应限定为某种特定类型的装置、设备。本发明实施例公开的客户端可以是以电子硬件、计算机软件或两者的组合形式应用于上述任意一种电子终端设备中。

此外，根据本发明实施例公开的方法还可以被实现为由CPU执行的计算机程序，该计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中。在该计算机程序被CPU执行时，执行本发明实施例公开的方法中限定的上述功能。

此外，上述方法步骤以及系统单元也可以利用控制器以及用于存储使得控制器实现上述步骤或单元功能的计算机程序的计算机可读存储介质实现。

此外，应该明白的是，本文的计算机可读存储介质(例如，存储器)可以是易失性存储器或非易失性存储器，或者可以包括易失性存储器和非易失性存储器两者。作为例子而非限制性的，非易失性存储器可以包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦写可编程ROM(EEPROM)或快闪存储器。易失性存储器可以包括随机存取存储器(RAM)，该RAM可以充当外部高速缓存存储器。作为例子而非限制性的，RAM可以以多种形式获得，比如同步RAM(DRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据速率SDRAM(DDRSDRAM)、增强SDRAM(ESDRAM)、同步链路DRAM(SLDRAM)、以及直接Rambus RAM(DRRAM)。所公开的方面的存储设备意在包括但不限于这些和其它合适类型的存储器。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性组件、方块、模块、电路和步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个系统的设计约束。本领域技术人员可以针对每种具体应用以各种方式来实现的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本发明实施例公开的范围。

结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块和电路可以利用被设计成用于执行这里功能的下列部件来实现或执行：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是可替换地，处理器可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP和/或任何其它这种配置。

结合这里的公开所描述的方法或算法的步骤可以直接包含在硬件中、由处理器执行的软件模块中或这两者的组合中。软件模块可以驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域已知的任何其它形式的存储介质中。示例性的存储介质被耦合到处理器，使得处理器能够从该存储介质中读取信息或向该存储介质写入信息。在一个替换方案中，存储介质可以与处理器集成在一起。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中。在一个替换方案中，处理器和存储介质可以作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性设计中，功能可以在硬件、软件、固件或其任意组合中实现。如果在软件中实现，则可以将功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质来传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，该通信介质包括有助于将计算机程序从一个位置传送到另一个位置的任何介质。存储介质可以是能够被通用或专用计算机访问的任何可用介质。作为例子而非限制性的，该计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁性存储设备，或者是可以用于携带或存储形式为指令或数据结构的所需程序代码并且能够被通用或专用计算机或者通用或专用处理器访问的任何其它介质。此外，任何连接都可以适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴线缆、光纤线缆、双绞线、数字用户线路(DSL)或诸如红外线、无线电和微波的无线技术来从网站、服务器或其它远程源发送软件，则上述同轴线缆、光纤线缆、双绞线、DSL或诸如红外线、无线电和微波的无线技术均包括在介质的定义。如这里所使用的，磁盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能盘(DVD)、软盘、蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘利用激光光学地再现数据。上述内容的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。

以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。

上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种服务器，其特征在于，包括若干个用于构建资源池的FPGA板卡，所述FPGA板卡包括：

网络输入接口，配置用于接收网络包；

网络输出接口；

与所述网络输入接口和网络输出接口连接的解析模块，包括UDP网络协议实现层，所述UDP网络协议实现层配置用于解析所述网络输入接口接收的网络包；

与所述解析模块连接的计算模块，配置用于对网络包解析后的数据进行应用计算；以及

交互接口，配置用于连接所述UDP网络协议实现层和所述计算模块，使得经过应用计算的结果数据由所述计算模块通过所述交互接口传递给所述UDP网络协议实现层进行网络包处理，

其中，所述网络输出接口配置用于输出所述UDP网络协议实现层产生的网络包，所述网络包能够用于流转到下一FPGA板卡，

其中每个FPGA板卡的网络输出接口连接到另外的FPGA板卡的网络输入接口或最终网络包输出端，每个FPGA板卡的所述网络输入接口连接到初始网络包输入端或另外的FPGA板卡的网络输出接口，以形成FPGA资源池。

2.根据权利要求1所述的服务器，其特征在于，所述FPGA板卡还包括PCI-E接口，与所述交互接口连接，配置用于连接所述FPGA板卡和其他服务器。

3.根据权利要求1所述的服务器，其特征在于，所述应用计算包括：机器学习、压缩解压缩和加密解密。

4.根据权利要求1所述的服务器，其特征在于，若干个所述FPGA板卡通过总线连接。

5.根据权利要求4所述的服务器，其特征在于，若干个所述FPGA板卡均进行不同种类的应用计算。

6.一种包含FPGA资源池的系统，其特征在于，包括若干个如权利要求1-5中任一项所述的服务器，其中每个服务器中的若干个FPGA板卡的网络输出接口连接到其他服务器中的若干个FPGA板卡的网络输入接口或最终网络包输出端，以形成FPGA资源池。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，不同服务器中的FPGA板卡通过网络连接。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统配置用于进行机器学习、压缩解压缩和加密解密。

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