Abstracting Hardware Architectures for Agile Design of High-performance Applications on FPGA

Abstractions d'architectures matérielles pour une conception Agile d'applications performantes sur FPGA Dans un contexte de forte augmentation des communications numériques à travers le monde et de déploiement rapide de l'internet des objets (IoT), les attaques sur les réseaux de données sont devenues un défi quotidien avec des niveaux de trafic record. Par rapport aux solutions logicielles basées sur des processeurs généralistes, les dispositifs de mitigation construits à partir de FPGA apparaissent comme une alternative économe en énergie qui combine la configurabilité avec à la fois la garantie d'un haut débit et d'une faible latence. Cependant, la mise en œuvre de ces accélérateurs matériels dédiés, basée sur l'abstraction des circuits numériques au niveau registre (RTL), est un processus beaucoup plus lent et fastidieux que les développements logiciels fonctionnellement équivalents. Ces derniers ont en effet bénéficié de l'introduction de nombreux paradigmes de haut niveau au cours des dernières décennies, alors que les langages de description du matériel (HDL) traditionnels sont restés rigides et verbeux. En conséquence, l'écart d'agilité entre les développements matériels et logiciels se creuse à un rythme soutenu, laissant les experts en conception matérielle frustrés par le manque de réutilisabilité de leurs architectures si soigneusement élaborées.Cette thèse aborde ce problème générique au développement matériel dans le contexte de la conception d'équipements réseau haute-performance chez OVHcloud. En imitant la trajectoire réussie de l'évolution des langages logiciels, elle vise à tirer parti d'un empilement de niveaux d'abstraction pour insuffler de la flexibilité au sein des descriptions matérielles. En particulier, les langages de construction matérielle (HCL) appliquent déjà certaines abstractions logicielles à la conception matérielle, ce qui permet de décrire des générateurs de circuits avec des paradigmes logiciels de haut niveau, tels que la programmation orientée objet et fonctionnelle. Cette thèse montre d'abord la pertinence de l'utilisation de tels paradigmes hérités du monde logiciel pour développer des fonctionnalités réseau hautement réutilisables, en s'intéressant à la fois aux perspectives de mise en œuvre et de conception. Sur cette base, nous présentons une abstraction supplémentaire, spécifique aux développements matériels, qui se concentre sur les applications pipelinées à haute-performance. Enfin, la capacité d'intégration de ces nouvelles méthodologies de conception dans les hiérarchies HDL existantes est examinée en détail, ce qui donne lieu à deux contributions finales visant à assurer une cohabitation harmonieuse entre ces deux méthodologies de développement. Grâce à un outil de traduction automatique, la première fournit un chemin direct depuis des sources HDL existantes vers une version HCL fonctionnellement équivalente. Cette traduction mot à mot est conçue comme la première étape d'une mise à niveau manuelle et itérative pour réellement bénéficier des abstractions de haut niveau fournies par les HCL.La seconde se concentre sur l'intégration sans accrocs des hiérarchies générées par les HCL dans une hiérarchie HDL, ce qui constitue un facteur d'acceptation essentiel de ces nouvelles méthodologies dans les projets au long cours.