Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing in Semantic Web Databases based on Runtime Reconfigurable FPGAs
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1 Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing in Semantic Web Databases based on Runtime Reconfigurable FPGAs Dipl.-Inf. Stefan Werner Institut für Informationssysteme Mündliche Prüfung des laufenden Promotionsverfahrens (Dr.-Ing.) 6. Februar 2017, Lübeck
2 Inhalt Warum alternative Architekturen? Grundlagen Von der Anfrage zum Beschleuniger Fazit S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 1/24
3 Inhalt Warum alternative Architekturen? Grundlagen Von der Anfrage zum Beschleuniger Fazit S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 1/24
4 Warum alternative Architekturen? Traditionelle Rechnerarchitekturen (von-neumann) Technologische Grenzen (power wall) Architektur-bedingte Grenzen (memory wall) Kompromiss zwischen Universalität und Effizienz Optimierte Datenstrukturen Hardwarebeschleuniger [ S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 2/24
5 Warum alternative Architekturen? Ziel: Hardwarebeschleuniger für Anfrageverarbeitung Problem: Art der Anfragen nicht vorhersehbar Lösung: Anfragen dynamisch auf rekonfigurierbare Hardware abbilden QUERY CPU DATA FPGA RESULT DATABASE SERVER CLIENT S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 3/24
6 Inhalt Warum alternative Architekturen? Grundlagen Von der Anfrage zum Beschleuniger Fazit S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 4/24
7 Grundlagen // Semantic Web The Semantic Web is an extension of the current web in which information is given well-defined meaning, better enabling computers and people to work in cooperation. [Berners-Lee et al.] Ressourcen und Relationen in einem standardisierten maschinenlesbaren Format World Wide Web Consortium (W3C) erarbeitet Reihe von Standards S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 5/24
8 Grundlagen // Semantic Web // Resource Description Framework (RDF) Datensätze bestehen aus Tripeln, jedes mit den Komponenten Subjekt, Prädikat, Objekt (SPO) 1 v:journal v:document. 2 v:article v:document. 3 l:journal1 v:journal. 4 l:journal1 v:title "Nature Research"^^xsd:string. 5 l:article1 v:article. 6 l:article1 v:abstract "In this paper..."@en. 7 l:article1 v:publishedin l:journal1. 8 l:article1 v:creator l:famous_author. 9 l:famous_author v:name "Stephen Hawking"^^xsd:string. S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 6/24
9 Grundlagen // Semantic Web // Resource Description Framework (RDF) v:journal v:article l:article1 l:journal1 l:famous_author v:abstract v:creator v:publishedin v:title v:name "Nature l:famous_author "In v:journal v:article l:journal1 this v:document "Stephen Research"^^xsd:string paper v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string v:name v:journal v:article l:famous_author l:journal1 v:publishedin l:article1 v:creator v:title v:abstract "Nature Research"^^xsd:string "In this S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 7/24
10 Grundlagen // Semantic Web // Resource Description Framework (RDF) v:journal v:article l:article1 l:journal1 l:famous_author v:abstract v:creator v:publishedin v:title v:name "Nature l:famous_author "In v:journal v:article l:journal1 this v:document "Stephen Research"^^xsd:string paper v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string v:name v:journal v:article l:famous_author l:journal1 v:publishedin l:article1 v:creator v:title v:abstract "Nature Research"^^xsd:string "In this S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 7/24
11 Grundlagen // Semantic Web // Resource Description Framework (RDF) v:journal v:article l:article1 l:journal1 l:famous_author v:abstract v:creator v:publishedin v:title v:name "Nature l:famous_author "In v:journal v:article l:journal1 this v:document "Stephen Research"^^xsd:string paper v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string v:name v:journal v:article l:famous_author l:journal1 v:publishedin l:article1 v:creator v:title v:abstract "Nature Research"^^xsd:string "In this S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 7/24
12 Grundlagen // Semantic Web // Resource Description Framework (RDF) v:journal v:article l:article1 l:journal1 l:famous_author v:abstract v:creator v:publishedin v:title v:name "Nature l:famous_author "In v:journal v:article l:journal1 this v:document "Stephen Research"^^xsd:string paper v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string v:name v:journal v:article l:famous_author l:journal1 v:publishedin l:article1 v:creator v:title v:abstract "Nature Research"^^xsd:string "In this S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 7/24
13 Grundlagen // Semantic Web // Resource Description Framework (RDF) v:journal v:article l:article1 l:journal1 l:famous_author v:abstract v:creator v:publishedin v:title v:name "Nature l:famous_author "In v:journal v:article l:journal1 this v:document "Stephen Research"^^xsd:string paper v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string v:name v:journal v:article l:famous_author l:journal1 v:publishedin l:article1 v:creator v:title v:abstract "Nature Research"^^xsd:string "In this S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 7/24
14 Grundlagen // Semantic Web // Resource Description Framework (RDF) v:journal v:article l:article1 l:journal1 l:famous_author v:abstract v:creator v:publishedin v:title v:name "Nature l:famous_author "In v:journal v:article l:journal1 this v:document "Stephen Research"^^xsd:string paper v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string v:name v:journal v:article l:famous_author l:journal1 v:publishedin l:article1 v:creator v:title v:abstract "Nature Research"^^xsd:string "In this S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 7/24
15 Grundlagen // Semantic Web // Resource Description Framework (RDF) v:journal v:article l:article1 l:journal1 l:famous_author v:abstract v:creator v:publishedin v:title v:name "Nature l:famous_author "In v:journal v:article l:journal1 this v:document "Stephen Research"^^xsd:string paper v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string v:name v:journal v:article l:famous_author l:journal1 v:publishedin l:article1 v:creator v:title v:abstract "Nature Research"^^xsd:string "In this S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 7/24
16 Grundlagen // Semantic Web // Resource Description Framework (RDF) v:journal v:article l:article1 l:journal1 l:famous_author v:abstract v:creator v:publishedin v:title v:name "Nature l:famous_author "In v:journal v:article l:journal1 this v:document "Stephen Research"^^xsd:string paper v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string v:name v:journal v:article l:famous_author l:journal1 v:publishedin l:article1 v:creator v:title v:abstract "Nature Research"^^xsd:string "In this S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 7/24
17 Grundlagen // Semantic Web // Resource Description Framework (RDF) v:journal v:article l:article1 l:journal1 l:famous_author v:abstract v:creator v:publishedin v:title v:name "Nature l:famous_author "In v:journal v:article l:journal1 this v:document "Stephen Research"^^xsd:string paper v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string v:name v:journal v:article l:famous_author l:journal1 v:publishedin l:article1 v:creator v:title v:abstract "Nature Research"^^xsd:string "In this S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 7/24
18 Grundlagen // Semantic Web // SPARQL v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string 6 v:journal v:article v:publishedin l:journal1 l:article1 v:title 5 4 l:famous_author SELECT?aName WHERE { v:creator v:abstract v:name? a u t h o r v : name?aname.?doc v : creator? author.?doc v : publishedin l : Journal1 "Nature Research"^^xsd:string "In this paper..."@en } S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 8/24
19 Grundlagen // Semantic Web // SPARQL Index Scan on 12?author v:name?aname v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string 6 v:journal v:article v:publishedin l:journal1 l:article1 v:title 5 4 l:famous_author SELECT?aName WHERE { v:creator v:abstract v:name? a u t h o r v : name?aname.?doc v : creator? author.?doc v : publishedin l : Journal1 "Nature Research"^^xsd:string "In this paper..."@en } S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 8/24
20 Grundlagen // Semantic Web // SPARQL Index Scan on 12?author v:name?aname Index Scan on?doc v:creator?author v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string 6 v:journal v:article v:publishedin l:journal1 l:article1 v:title 5 4 l:famous_author SELECT?aName WHERE { v:creator v:abstract v:name? a u t h o r v : name?aname.?doc v : creator? author.?doc v : publishedin l : Journal1 "Nature Research"^^xsd:string "In this paper..."@en } S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 8/24
21 Grundlagen // Semantic Web // SPARQL Index Scan on 12?author v:name?aname Index Scan on?doc v:creator?author Index Scan on?doc v:publishedin l:journal v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string 6 v:journal v:article v:publishedin l:journal1 l:article1 v:title 5 4 l:famous_author SELECT?aName WHERE { v:creator v:abstract v:name? a u t h o r v : name?aname.?doc v : creator? author.?doc v : publishedin l : Journal1 "Nature Research"^^xsd:string "In this paper..."@en } S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 8/24
22 Grundlagen // Semantic Web // SPARQL Index Scan on 12?author v:name?aname Index Scan on?doc v:creator?author Index Scan on?doc v:publishedin l:journal Join on?author 8 7 v:document "Stephen Hawking"^^xsd:string 6 v:journal v:article v:publishedin l:journal1 l:article1 v:title 5 4 l:famous_author SELECT?aName WHERE { v:creator v:abstract v:name? a u t h o r v : name?aname.?doc v : creator? author.?doc v : publishedin l : Journal1 "Nature Research"^^xsd:string "In this paper..."@en } S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 8/24
23 Grundlagen // Semantic Web // SPARQL Index Scan on 12?author v:name?aname Index Scan on?doc v:creator?author Index Scan on?doc v:publishedin l:journal Join on?author 8 v:journal l:journal1 v:title v:document v:publishedin "Stephen Hawking"^^xsd:string 6 v:article l:article Join on?doc l:famous_author SELECT?aName WHERE { v:creator v:abstract v:name? a u t h o r v : name?aname.?doc v : creator? author.?doc v : publishedin l : Journal1 "Nature Research"^^xsd:string "In this paper..."@en } S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 8/24
24 Grundlagen // Semantic Web // SPARQL Index Scan on 12?author v:name?aname Index Scan on?doc v:creator?author Index Scan on?doc v:publishedin l:journal Join on?author 8 v:journal l:journal1 v:title v:document v:publishedin "Stephen Hawking"^^xsd:string 6 v:article l:article Join on?doc Projection to?aname l:famous_author SELECT?aName WHERE { v:creator v:abstract v:name? a u t h o r v : name?aname.?doc v : creator? author.?doc v : publishedin l : Journal1 "Nature Research"^^xsd:string "In this paper..."@en } S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 8/24
25 Grundlagen // Semantic Web // SPARQL Index Scan on 12?author v:name?aname Index Scan on?doc v:creator?author Index Scan on?doc v:publishedin l:journal Join on?author 8 v:journal l:journal1 v:title v:document v:publishedin "Stephen Hawking"^^xsd:string 6 v:article l:article Join on?doc Projection to?aname l:famous_author Result SELECT?aName WHERE { v:creator v:abstract v:name? a u t h o r v : name?aname.?doc v : creator? author.?doc v : publishedin l : Journal1 "Nature Research"^^xsd:string "In this paper..."@en } S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 8/24
26 Grundlagen // Field-Programmable Gate Array (FPGA) S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 9/24
27 Grundlagen // Field-Programmable Gate Array (FPGA) Configurable Interconnects CLB CLB CLB CLB Block RAM DSP CLB CLB CLB CLB CLB CLB CLB CLB CLB CLB CLB CLB Block RAM DSP CLB CLB CLB CLB S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 9/24
28 Grundlagen // Field-Programmable Gate Array (FPGA) Datenflussgetriebenes Berechnungsmodell Anwendungsspezifische Daten- & Verarbeitungsparallelität Ermöglicht den Entwurf anwendungsspezifischer Hardware und Rekonfiguration zur Laufzeit interessant für Anfrageverarbeitung CPU GPU FPGA Funktionseinheiten Steuerwerk Integrierter Speicher Verbindungsnetzwerk (adapted from C.Plessl [ S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 10/24
29 Grundlagen // Field-Programmable Gate Array (FPGA) Datenflussgetriebenes Berechnungsmodell Anwendungsspezifische Daten- & Verarbeitungsparallelität Ermöglicht den Entwurf anwendungsspezifischer Hardware und Rekonfiguration zur Laufzeit interessant für Anfrageverarbeitung CPU GPU FPGA Index Scan on?author v:name?aname Index Scan on Index Scan on?doc v:creator?author?doc v:publishedin l:journal1 Join on?author Join on?doc Projection to?aname Result Funktionseinheiten Steuerwerk Integrierter Speicher Verbindungsnetzwerk (adapted from C.Plessl [ S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 10/24
30 Inhalt Warum alternative Architekturen? Grundlagen Von der Anfrage zum Beschleuniger Fazit S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 11/24
31 Von der Anfrage zum Beschleuniger // LUPOSDATE RDF-Data Index-Generation SPARQL-Query SPARQL-Parser Preprocessing Abstract Syntax Tree Transformation into CoreSPARQL CoreSPARQL-Query CoreSPARQL-Parser Abstract Syntax Tree Optimization Transformation into Operatorgraph Operatorgraph Logical Optimization Logical optimized Operatorgraph Physical Optimization Physical optimized Operatorgraph Mapping on FPGA resources Evaluation Result S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 12/24
32 Von der Anfrage zum Beschleuniger // Operator Template Operator Template definiert gemeinsame Schnittstelle data valid finished read data valid finished read Ermöglicht die Komposition mehrerer Operatoren nach T... dem Baukastenprinzip Satz von Operatoren in VHDL implementiert data valid finished read T T S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 13/24
33 Von der Anfrage zum Beschleuniger // System PCIe Endpoint R I 1 I 2... π σ... Query Coordinator I k 1 PCIe Endpoint 2 Query FPGA User 24 Application I k ICAP OSP QEP SOP SPO POS PSO Result Host S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 14/24
34 Von der Anfrage zum Beschleuniger // System 1 Preprocessing Parse Query Optimize & Analyze Execution Display Result Generate VHDL code yes no Software Execution suitable? Synthesis Supply Triples Place & Route Bitgen errors? yes no Execution on FPGA Configuration Collect Results FPGA Toolchain S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 15/24
35 Von der Anfrage zum Beschleuniger // System 1 // Ergebnis Evaluation von 15 Testanfragen auf synthetischen und reale Datensätzen (mit bis zu 1 Mrd. Tripeln) zeigt: niemals signifikant langsamer als Softwaresystem (1) inkl. Kommunikationskosten zwischen Hostsystem und FPGA meist Beschleunigung von 1,5X bis 4,9X (8) bzw. 5X bis 32X (6) S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 16/24
36 Von der Anfrage zum Beschleuniger // System 1 // Ergebnis Evaluation von 15 Testanfragen auf synthetischen und reale Datensätzen (mit bis zu 1 Mrd. Tripeln) zeigt: niemals signifikant langsamer als Softwaresystem (1) inkl. Kommunikationskosten zwischen Hostsystem und FPGA meist Beschleunigung von 1,5X bis 4,9X (8) bzw. 5X bis 32X (6) ABER Erzeugung des rekonfigurierbaren Moduls (RM) zeitintensiv bis zu 30 Minuten; reine Anfrageausführung nur (Milli)Sekunden S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 16/24
37 Von der Anfrage zum Beschleuniger // System 2 Dynamisch partielle Rekonfiguration FPGA PARTITION A A3.bit A2.bit A1.bit static dynamic Ressourcen werden in statische und eine oder mehrere Partitionen aufgeteilt Mehrere rekonfigurierbare Module mit verschiedenen Funktionen können in die Partitionen konfiguriert werden S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 17/24
38 Von der Anfrage zum Beschleuniger // System PCIe Endpoint R I 1 I 2... π σ... Query Coordinator I k 1 PCIe Endpoint 2 Query FPGA User 24 Application I k ICAP OSP QEP SOP SPO POS PSO Result Host S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 18/24
39 Von der Anfrage zum Beschleuniger // System PCIe Endpoint RP SRE Query Coordinator σ PCIe Endpoint 2 Query 1 π static 1 2logic FPGA User 24 Application ICAP OSP QEP SOP SPO POS PSO Result Host S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 18/24
40 Von der Anfrage zum Beschleuniger // System 2 // SRE SREs befinden sich in der statischen Logik T T Endgültige Route wird durch succ sel succ sel externes Signal succ_sel bestimmt succ sel= 0 succ sel= 1 succ sel= 0 SRE Wert von succ_sel wird vom inneren der Partition gesetzt und hängt somit vom konfigurierten Modul ab succ sel T succ sel T S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 19/24
41 Von der Anfrage zum Beschleuniger // System 2 DEPLOYMENT TIME SYSTEM RUNTIME Parse Query Optimize & Analyze Display Result For all operators Synthesis Place & Route Bitgen RM yes no suitable? Select RMs yes errors? no Software Execution Supply Triples Execution on FPGA Collect Results FPGA Toolchain Configuration S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 20/24
42 Von der Anfrage zum Beschleuniger // System 2 // Ergebnis Geringere Flexibilität Erzeugung vieler rekonfigurierbarer Module (vor Systemlaufzeit) Rekonfiguration von kompletten Anfragen wesentlich schneller, statt Minuten wenige Millisekunden Zeit der reinen Anfrageverarbeitung identisch zu System 1 Rekonfiguration beeinflusst den Beschleunigungsfaktor nur gering (0,3 3,8%) S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 21/24
43 Inhalt Warum alternative Architekturen? Grundlagen Von der Anfrage zum Beschleuniger Fazit S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 22/24
44 Fazit Wesentliche Beiträge dieser Arbeit: Flexibles Framework um Anfragen dynamisch auf FPGAs abzubilden Kollaborative Ausführung beschleunigt Anfrageauswertung In (einer nicht allzu fernen) Zukunft: Abbildung von Anfragen auf NoCs ITI) Hybride Indexstrukturen IFIS) S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 23/24
45 S. Werner Hybrid Architecture for Hardware-accelerated Query Processing based on FPGAs 24/24
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