OpenCL Programming for Intel FPGA 初探 - I

前一陣子許多新聞都提到使用 Intel FPGA 搭配 OpenCL 來加速應用的開發
像是中興電訊(ZTE)  透過 Intel FPGA 來開發人臉識別的加速
其實 Altera 相當早就開始將 OpenCL 導入到 FPGA Programming 這塊
在 2011 年 Altera 的簡報是這樣類比的 - VHDL/Verilog 很類似"組合語言"程式設計
而 OpenCL 讓軟體開發者能夠利用硬體加速

由於這些日子來的一些例子也令我有不同的思考
開始讓個人非常想了解這樣的 Programming Model 的不同, 以及其特性與優缺點為何
因此開始投入 Intel FPGA OpenCL Programming 的探索

現今相關的軟體 Intel 都有提供在網路上, 硬體上取決於規格價格落差也不小
台灣的友晶科技有販售相關的平台, 可以自行了解與選購
但目前先單以 Intel 提供的官方文件來討論 OpenCL Programming for Intel FPGA

Programming Overview

Intel FPGA SDK for OpenCL - Getting Starting Guide: 其中對於了解階段最重要的地方在於
它圖示了整個流程的 overview

可以看出 .cl 的 kernel 透過 SDK 分兩階段編譯為不同的 .aocx, 一者為 emulation 所使用, 另一為實質在板子上的運作時所使用, 而這文件其他篇幅著墨在環境的建立上. 一方面也可以了解, OpenCL for Intel SDK 應不俱備 Online Compiler 的方式, 可能皆以 Offline Compilation 方式開發.

Intel SDK for OpenCL - Programming Guide:

Schematic Diagram

這篇文件在流程上延伸了上述的圖, 提供了 host, kernel 與 custom part 的流程

在 Getting Start 的那張圖示, 其實在解說中間 "Kernel Code Path" 在不同開發時期的產生方式, 而這張圖是講述完整的開發流程中, Host/Kernel/Custom 相關的各部分是屬於從何而來. 這張圖也揭示了, 開發過程僅有 Offline Compiler.

文件中提供了以 PC + FPGA 卡的角度來看待這個流程:

這張凸顯了, 能夠搭配多張 FPGA 卡來負責不同的部分, 透過載入不同的 FPGA binary 就可以將功能的不同部分在不同的卡上運作.

Channel and Pipe

為了 mapping FPGA 的運作方式到 OpenCL, 提供了特別的方式: Channel 與 Pipe.
事實上兩者性質很類似, 但是 Channel 為 1.x 時針對 FPGA 部分, Altera 所提出的 extension, 而 Pipe 是 OpenCL 2.0 中標準有提供的 inter-kernel 間資料串連的方式.
而對於 FPGA 中, 使用 Channel/Pipe 要思考的運作方式如下:

也就是 Kernel 與 Kernel 間以 FIFO 方式來串連與傳遞資料, Host 並不介入資料的傳遞, Kernel 也不透過對於 RAM 的讀寫來傳遞.

Manager-Producer-Consumer Working Model

而對於 Kernel 間 Buffer 的傳遞, SDK 文件中建議以 Manager, Producer, Consumer 這3個角色的 Kernel 來實作.

而透過圖中描述的四步驟周期, 來彼此協調控制流程, 並作一些 resource 的 ping-pong 使用

1. manager kernel 送出 token set 給 producer kernel 來告知哪些記憶體區塊是給 producer 使用
2. 在 manager 配置好記憶體區塊後, producer 對該記憶體區塊的 ping-pong buffer 寫入資料
3. 在 producer 完成寫入動作後, 它送出同步 token 給 consumer kernel, 來告知記憶體區塊有著資料待處理. consumer kernel 然後就自該 ping-pong buffer 區塊讀取資料
• 必須注意的地方: 當 consumer 在執行讀取動作時, 由於 FPGA 同步運行著 producer, consumer 與 manager kernel 的緣故, producer 是能夠寫入資料到其他尚未使用的記憶體位置,
4. 在 consumer 完成讀取動作, 它釋放了該記憶體區塊, 然後送 token 給 manager kernel. 而 manager kernel 就回收該區塊以提供給 producer 使用.

Memory Partition of Global Memory - Burst-Interleaved vs Separate

Global Memory 不管對於 CPU/GPU 而言都是相當遙遠的, 必須考量頻寬與 latency, 因此對於操作上有著不同的特性, CPU 有著 cache,  GPU 仰賴著 local memory 與 many-threads 方式. 在 FPGA 上, 為了的達到較高的頻寬使用, 預設使用 Burst-Interleaved 方式, 若要自行分割也提供選項關閉, 並且在 Host Coding 中自行指定使用的 Bank.

OpenCL Library

若有常會使用的功能, 或是以 OpenCL 的方式實作較無效率的功能, Intel FPGA SDK 也提供以 OpenCL 或是 HDL 的方式實作再以 OpenCL Library 的方式導入. 而 SDK 內已經內部預先做好的 library, 開發者也能自己實作屬於自己的 library.

使用的方法如上流程圖所顯示, 實作的 OpenCL Kernel 與 OpenCL Library 透過 SDK Offline Compiler 最後產生 .aocx 的 FPGA 執行檔案.

Parallel Execution Model of AOCL Pipeline Stages

而功能的實作上, 要考量的與 CPU/GPU 上的 OpenCL 的考量不同, 對於 CPU/GPU 的實作上, 通常考量的是 SIMD 與指令使用上的考量, 能夠 SIMD 化, Exec Unit 的數目與種類, 或是否具有專屬加速指令. 但而對於 FPGA 考量的是流程上的平行度以及最後完成的長度, 再加上所使用的 resource 與 path 長短(這部分會留待第2篇), 而這些其最主要的考量為實作後整個 function 的 latency. 如下圖的 Kernel, 其從頭到尾需要 4 cycles.