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Da ist auch ein FPGA drauf!

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  1. Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: Wiggy 29.04.14 - 13:23

    Mahlzeit,

    im Artikel nicht direkt erwähnt, aber damals mein Hauptgrund, auf Kickstarter zu backen: Auf dem Board ist auch ein FPGA drauf. In dem Falle ein Xilinx Zynq 7010 (die Backer kriegen einen 7020). Das ist im Prinzip ein Dual-Core ARM (Cortex A9 glaube ich, auf dem läuft das Linux) mit konfigurierbarer FPGA-Logik drumrum.

    Das ist schon ne nette Geschichte, weil es sonst kaum FPGA-Eval-Boards für den Preis gibt. Die Zynq-Bausteine sind in der Gratis-Version der Xilinx-Software supported (Vivado Webpack), also muss man auch keine teuren Tools kaufen, um was damit zu machen.

    Was ich dann mit dem Epiphany anstelle, weiß ich noch garnicht (obwohl ich jetzt wegen der ganzen Verzögerungen 1,5 Jahre Zeit hatte zum Überlegen), aber da wird sich schon was finden.

    Eigentlich müsste mein Board diese Woche rausgehen (ist allerdings ein 16-Core Board); die sind jetzt ungefähr bei Board 3000, meins ist 3122. :)
    Wann die 64-Core-Boards dann ausgeliefert werden, ist IMHO aber noch völlig offen. Letzte Woche kam vom Hersteller eine Mail über Kickstarter, dass jetzt gerade zum ersten Mal ein Board erfolgreich mit einem 64-Core in Betrieb genommen wurde und dass man jetzt so langsam mal dran denken könnte, entsprechende Boards zu bestücken und dann irgendwann auch mal auszuliefern. Konkreter war das nicht...

    Grüße,
    Wiggy

  2. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: __max__ 29.04.14 - 16:29

    Ich hab mein 16 core Board schon seit 10 Tagen und auch noch nichts damit gemacht ... mal gucken wann ich dafür Zeit finde.

  3. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: Crass Spektakel 29.04.14 - 19:14

    Frei konfigurierbare FPGA-Logik, das wäre wirklich mal was und könnte nach GPU-Computing der nächste grosse Abstraktionsschritt werden.

    Schon vor 20 Jahren habe ich HDL-Beispiele für ZIP-Komprimierung in Hardware gesehen, damals wurde praktisch pro Takt ein Inputbyte bearbeitet was schon bei einem 5Mhz FPGA jeden damaligen PC ganz böse in den Schatten stellte. Ich würde nichteinmal darauf wetten dass das heutige PCs schneller können.

  4. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: Cassiel 29.04.14 - 19:36

    Interessant ist es allemal, wie programmiert man den so einen FPGA? Habe mich da bisher noch nicht ran gewagt. Falls jemand Infos für Einsteiger hat (FPGA, nicht grundsätzliche Programmierung) bitte posten - Danke!

  5. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: MarkusXXX 29.04.14 - 20:26

    Mein Core i7-870 macht bei mir mit 7-zip ca. 17MB/s auf bereits komprimierten Daten und 8MB/s auf gut zu komprimierenden Daten (Output vom DIR-Befehl). Das lief jetzt nur auf einem Kern, weil es nur eine Datei war, also kann man die Werte noch etwa vervierfachen.

  6. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: MisterProll 29.04.14 - 20:42

    Cassiel schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Interessant ist es allemal, wie programmiert man den so einen FPGA? Habe
    > mich da bisher noch nicht ran gewagt. Falls jemand Infos für Einsteiger hat
    > (FPGA, nicht grundsätzliche Programmierung) bitte posten - Danke!

    VHDL ist das altavistayahoogoogleetc stichwort

  7. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: H-D-F 29.04.14 - 21:08

    MarkusXXX schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Mein Core i7-870 macht bei mir mit 7-zip ca. 17MB/s auf bereits
    > komprimierten Daten und 8MB/s auf gut zu komprimierenden Daten (Output vom
    > DIR-Befehl). Das lief jetzt nur auf einem Kern, weil es nur eine Datei war,
    > also kann man die Werte noch etwa vervierfachen.

    Tja, haut trotzdem nicht hin. 5 Mhz mit 1 Inputbyte pro Takt (5 Megahert), 5000000 Takte pro Sekunde a ein Byte, damals also 5 MB pro Sekunde bei 5 Mhz Takt, das stellt,mit heutigen FPGA`s, jeden Consumer-PC in den Schatten...

    Ps.: Ja, ich weiss... ist etwas ungenau.. sorry....



    1 mal bearbeitet, zuletzt am 29.04.14 21:09 durch H-D-F.

  8. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: MarkusXXX 29.04.14 - 21:25

    H-D-F schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Tja, haut trotzdem nicht hin. 5 Mhz mit 1 Inputbyte pro Takt (5 Megahert),
    > 5000000 Takte pro Sekunde a ein Byte, damals also 5 MB pro Sekunde bei 5
    > Mhz Takt, das stellt,mit heutigen FPGA`s, jeden Consumer-PC in den
    > Schatten...

    Das kommt jetzt drauf an, wie das "Ich würde nichteinmal darauf wetten dass das heutige PCs schneller können." gemeint war. Ich habe es so interpretiert, dass der Vergleich damaliger FPGA<->heutiger PC ist. Wenn man das mit heutigen FPGAs vergleich, dann sehen die PCs natürlich immer noch alt aus.

    Wenn ich mich recht erinnere (schon lange her), dann wird beim ZIP intern eine Tabelle (Wörterbuch) aufgebaut und darin gesucht. Das kann man auf einem PC nicht so wirklich parallelisieren. Ein FPGA kann das dagegen schon parallel machen. Wobei ein Takt schon sehr gut ist, denn die Tabelle muss ja auch aktualisiert werden. Also Aktualisierung und Update in 1 Takt.

  9. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: H-D-F 29.04.14 - 21:31

    MarkusXXX schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > H-D-F schrieb:
    > ---------------------------------------------------------------------------
    > -----
    > > Tja, haut trotzdem nicht hin. 5 Mhz mit 1 Inputbyte pro Takt (5
    > Megahert),
    > > 5000000 Takte pro Sekunde a ein Byte, damals also 5 MB pro Sekunde bei 5
    > > Mhz Takt, das stellt,mit heutigen FPGA`s, jeden Consumer-PC in den
    > > Schatten...
    >
    > Das kommt jetzt drauf an, wie das "Ich würde nichteinmal darauf wetten dass
    > das heutige PCs schneller können." gemeint war. Ich habe es so
    > interpretiert, dass der Vergleich damaliger FPGA<->heutiger PC ist. Wenn
    > man das mit heutigen FPGAs vergleich, dann sehen die PCs natürlich immer
    > noch alt aus.

    OK, das hättest Du "prägnanter" herausstellen sollen, um es auf Polit-Deutsch zu sagen ;-)

    > Wenn ich mich recht erinnere (schon lange her), dann wird beim ZIP intern
    > eine Tabelle (Wörterbuch) aufgebaut und darin gesucht. Das kann man auf
    > einem PC nicht so wirklich parallelisieren. Ein FPGA kann das dagegen schon
    > parallel machen. Wobei ein Takt schon sehr gut ist, denn die Tabelle muss
    > ja auch aktualisiert werden. Also Aktualisierung und Update in 1 Takt.

    Naja.. Du hast schon recht, aber auf Grafikkarten lässt sich das bestimmt auch ziemlich rasant erledigen, wenn auch nur statisch.... gäbe dann halt nur eine mittelmässig kompremierte Datei, bei Dekompression sähe die Sache schon anders aus.....



    1 mal bearbeitet, zuletzt am 29.04.14 21:32 durch H-D-F.

  10. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: PeterK 29.04.14 - 23:24

    Bitte verzeih mir die dumme Frage, ich bin ein nur wenig Hardwarenaher Programmierer. Aber dieses Stichwort ist mir neu und hört sich äusserst interessant an.

    Wenn ich es richtig verstanden habe, können diese FPGAs Quasi Prozessorerweiterungssätze "simulieren", welche direkt in der Schaltung ausgeführt werden, wie Beispielsweise SSE, oder AVX.
    Hört sich cool an, da brauchts wahrscheinlich einiges an Programmier-Know-How, in der Hardwarenahen Programmierung?

    Ausserdem ne Offtopic-Frage: Sind die 64 Kerne, Kerne mit dem Vollständigen RISC-Befehlsatz? Worauf ich hinaus will: Könnte ich diese Board theoretisch auch als Web-Server einsetzen, der wegen seiner vielen Kerne gut darin ist, triviale Anfragen, jedoch in hohen Aufrufzahlen zu verarbeiten?

  11. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: Cassiel 29.04.14 - 23:51

    PeterK schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Worauf ich hinaus will: Könnte ich diese Board theoretisch
    > auch als Web-Server einsetzen, der wegen seiner vielen Kerne gut darin ist,
    > triviale Anfragen, jedoch in hohen Aufrufzahlen zu verarbeiten?

    Ist vermutlich nicht die beste Verwendung eines FPGAs, denn viele Kerne sind nicht immer optimal, unter Umständen hat man andere Flaschenhälse.

    Wenn Du daran interessiert bist viele HTTP-Anfragen parallel zu bedienen, solltest Du Dir mal das asynchrone Konzept von node.js ansehen. Optimal für die Auslieferung von Inhalten bei hoher Frequentierung, da durch die asynchrone Verarbeitung der Requests kein Blocking im Thread entsteht.

    Das ganze kannst Du dann noch weiter optimieren, z.B. durch einen Reverse Proxy auf nginx-Basis, mit dem Du mehrere Upstreams zu den einzelnen Node.js Instanzen definierst und dadurch ein Load Balancing realisierst. Die einzelnen Node.js Instanzen können die Inhalte dann z.B. aus einem Storage Pool beziehen (z.B. ein SAS das per NFS angebunden ist). Mit dem Storage Pool erübrigt sich dann das Problem, das jede Instanz die Inhalte redundant vorhalten muss.

    So kann man sich relativ schnell und günstig sein eigenes, kleines CDN aufbauen.



    1 mal bearbeitet, zuletzt am 29.04.14 23:55 durch Cassiel.

  12. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: xenofit 30.04.14 - 00:57

    Cassiel schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > PeterK schrieb:
    > ---------------------------------------------------------------------------
    > -----
    > > Worauf ich hinaus will: Könnte ich diese Board theoretisch
    > > auch als Web-Server einsetzen, der wegen seiner vielen Kerne gut darin
    > ist,
    > > triviale Anfragen, jedoch in hohen Aufrufzahlen zu verarbeiten?
    >
    > Ist vermutlich nicht die beste Verwendung eines FPGAs, denn viele Kerne
    > sind nicht immer optimal, unter Umständen hat man andere Flaschenhälse.

    Ich glaube das er hier nichtmehr den FPGA sondern den "Supercomputer" Teil meinte.

  13. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: peterkleibert 30.04.14 - 09:25

    >Ich glaube das er hier nichtmehr den FPGA sondern den "Supercomputer" Teil meinte.

    Ja genau, das war weniger auf den FPGA abgeziehlt, sondern eher auf die 64 Cores.

    Nichtsdestotrotz hört sich diese Node.js Lösung auch spannend an, jedenfalls um Multicore-Architekturen effizienter zu nutzen.

  14. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: Wiggy 30.04.14 - 09:45

    Moin,

    PeterK schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Wenn ich es richtig verstanden habe, können diese FPGAs Quasi
    > Prozessorerweiterungssätze "simulieren", welche direkt in der Schaltung
    > ausgeführt werden, wie Beispielsweise SSE, oder AVX.
    > Hört sich cool an, da brauchts wahrscheinlich einiges an
    > Programmier-Know-How, in der Hardwarenahen Programmierung?
    ein FPGA ist nichts anderes als eine Matrix von Logikeinheiten, die man recht flexibel verschalten kann.
    Im Falle eines Zynq bestehen diese Logikeinheiten aus 2 Look-up-Tables mit jeweils 6 Eingängen, garniert mit ein paar FlipFlops. Der Inhalt der Lookup-Tables ist einstellbar, d.h. damit kannst Du dann beliebige Logikfunktionen (AND, OR, XOR, NAND,...) mit bis zu 6 Eingangssignalen implementieren. Die LUTs kann man noch kaskadieren (wenn man mehr als 6 Eingänge braucht), als Schieberegister missbrauchen etc. FPGAs haben meistens zusätzlich zur Logik noch extra Blöcke drin, beispielsweise kleine SRAMs, die man dann z.B. als FIFOs benutzen kann, PLLs, um Takte zu erzeugen, MAC-Einheiten, mit denen man performante Algorithmik zusammenstöpseln kann; Gigabit-Transceiver für die Kommunikation mit der Aussenwelt, manche Familien haben PCIe-Endpoints eingebaut etc. Der Preis variiert dann mit Anzahl der Extras, Menge der Logik, Anzahl der Pins etc.

    Schlußendlich kannst Du mit einem FPGA völlig beliebige Sachen tun: einen Mikrocontroller nachbauen, 500 Addierer, die gleichzeitig parallel arbeiten, einen DRAM-Controller schreiben, der auf RAM zugreift, irgendwelche Interfaces implementieren (PCIe, USB, serielle Schnittstelle) oder einfach LEDs blinken lassen oder alles zusammen. Du kannst auch sowas wie SSE implementieren oder irgendwelche eigenen Befehlssatzerweiterungen. Alles, was sich mit Logik (boolsche Algebra und so) halt so anstellen lässt.

    Wichtig für's Verständnis ist, dass man ein FPGA nicht "programmiert", wie man es von CPUs oder Mikrocontrollern kennt. Einem FPGA fütterst Du nicht ein Programm, das dann sequentiell abgearbeitet wird. Ein FPGA erhält eine "Konfiguration", die festlegt, welche Logikelemente wie eingestellt sind und wie sie miteinander verschalten sind. Das ist also eine ganz andere Denkweise.

    Man benutzt dafür keine Programmiersprache, sondern eine Hardwarebeschreibungssprache, z.B. VHDL oder Verilog. Da kann man dann auf etwas abstrakterer Ebene z.B. einen Zähler oder eine State Machine beschreiben, und ein Synthesetool setzt das dann um in eine Verschaltung von Logikelementen, eine sogenannte Netzliste (man muss da also nicht mit einzelnen Gattern von Hand rumhantieren; kann man aber auch, wenn es erforderlich ist). Weitere Tools setzen das dann wiederum in die Konfiguration für Dein bestimmtes FPGA um.

    Was Du in einer HDL beschreibst, ist letztlich der Inhalt einer Black Box. Du hast ein Ding, das hat ein paar Anschlüsse (Eingänge und Ausgänge), und Du beschreibst, was hinten rauskommt, wenn man vorne was bestimmtes reinschiebt, vereinfacht gesagt.

    Von daher kann man ein FPGA nicht wirklich mit einem Prozessor vergleichen, das ist wie mit Äpfeln und Birnen. Ein FPGA ist kein Prozessor, es führt nicht sequentiell ein Programm aus. Wenn ich im FPGA eine CPU nachbaue, dann wird die immer langsamer sein und mehr Verlustleistung haben als ein Stück Silizium, das ausschließlich für diesen Zweck designt und optimiert wurde. Schließlich schleppst Du beim FPGA immer die frei konfigurierbare Verdrahtung etc. mit, das ist ja alles immenser Schaltungsaufwand, der bei einem spezialisierten Chip wegfällt, das spart Leistung und ermöglicht höhere Taktraten.

    Bei einer GPU ist es das gleiche: Keiner wird mit einem FPGA eine komplexe GPU nachbauen, da wird das FPGA immer unterlegen sein. Wenn ich aber Dinge tun will, die mit einer GPU nur mit Verrenkungen und Overhead gehen, dann wird ein FPGA interessant. Stichwort z.B. Dinge wie Bitcoin-Mining. Nehmen wir an, Du brauchst Rechenoperation, die Du auf einer CPU oder in einer GPU zwar rechnen kannst, aber nicht wirklich effizient, weil die nicht darauf ausgelegt sind (die Bitbreiten der Multiplikatoren passen nicht, die Caches sind zu klein, was auch immer). In einem FPGA kannst Du Dir einen Berechnungsblock zusammenschustern, der genau diese Operationen (und nichts anderes) extrem effizient und schnell ausführt, und wenn Dein FPGA groß genug ist, machst Du diesen Block halt 100x da rein. Damit kannst Du dann bequem jede CPU/GPU versägen. Dein FPGA kann dann aber halt nur genau das und sonst nichts.

    Klassische Anwendungsgebiete:
    - die ganz dicken fetten Router in der Netzwerkbranche; wenn es drum geht, Milliarden von Paketen gleichzeitig in alle möglichen Richtungen hin- und herzuschaufeln, sind CPUs/GPUs nicht zu gebrauchen; da sind dann gerne mal richtig dicke FPGAs drin, mit einem Arsch voll Gigabit-Transceivern mit jeweils >20Gbit/s. Die Anzahl der Pakete, die die gleichzeitig verarbeiten können, ist dann nur durch die Größe des FPGAs begrenzt.
    - ASIC-Prototyping (man kann sich mit FPGAs eine Simulation eines Chips bauen, bevor er in die Fertigung geht, denn jeder Durchlauf in der Fab kostet ein Heidengeld und dauert ewig)
    - Nischenanwendungen, für die es keine Spezialchips gibt. Ich habe beispielsweise früher Highspeed-Kameras gebaut. Da ist dann ein spezieller Bildsensor drin, der muss angesteuert werden, und die Bilddaten müssen ausgelesen werden. Das muss alles in einem Nanosekunden-Raster präzise gemacht werden mit deterministischem Timing, sonst funktioniert's nicht oder das Bild ist schlecht. Dafür gibt's keine fertigen Chips, würde sich nicht lohnen bei ~50 verkauften Kameras im Jahr. Also kommt da dann ein FPGA rein, damit kann ich machen, was ich will.

    Nachteile:
    - FPGAs sind teurer und haben größere Verlustleistung als ASICs (da bezahlt man eben für die Flexibilität)
    - FPGA-Entwicklung ist kompliziert und langwierig. Da is nix mit 25EUR-Evalboard kaufen, gcc installieren und "Hello World!" in 5 Minuten. Im Prinzip ist das eine Stufe unter Chipdesign.
    - Größtes Problem ist eigentlich fast immer der Datentransfer. Wie kriegst Du die Daten, auf denen Du rumrechnen willst, ins FPGA und die Ergebnisse wieder raus? Das ist meistens der Flaschenhals und macht den Großteil der Arbeit aus. Besonders interessant wird das, wenn man z.B. ein FPGA an eine CPU andocken will. Da geht heutzutage fast nur PCIe, und das ist in vielen Fällen auch schon zu langsam.

    > Ausserdem ne Offtopic-Frage: Sind die 64 Kerne, Kerne mit dem Vollständigen
    > RISC-Befehlsatz? Worauf ich hinaus will: Könnte ich diese Board theoretisch
    > auch als Web-Server einsetzen, der wegen seiner vielen Kerne gut darin ist,
    > triviale Anfragen, jedoch in hohen Aufrufzahlen zu verarbeiten?
    Es ist ein ziemlich abgespeckter Befehlssatz. Weiteres Problem ist, dass die Kerne nur wirklich rennen, wenn ihr Programm und alle Daten, die sie benötigen, in ihrem lokalen Speicher liegen ( jeder Core hat ein paar kB eigenen Speicher). Sobald Daten aus dem Epiphany raus oder in in rein müssen, wird's schwierig, denke ich.

    Zudem hat das Ding keine Netzwerkschnittstelle, d.h. alle Daten müssen erstmal nach draussen in den ARM-Core hinein, der sie dann softwaregesteuert rausschickt. Ich hab mich noch nicht genug in die Architektur eingelesen, um vernünftig beantworten zu können, wie performant das Interface ist usw.

    Aber im Prinzip könnte man sowas evtl. bauen...

  15. Re: Da ist auch ein FPGA drauf!

    Autor: peterkleibert 30.04.14 - 10:23

    Sehr Aufschlussreich! Besten Dank für die Erklärungen.

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