随着传统硬件的规模逐渐走向低迷，未来的数据中心正趋向于不纯一性、采用定制硬件加速器和越来越高的高性能互连。传统上，以规模性的方式进行原型设计的新硬件要么非常昂贵，要么非常缓慢。在这篇文章中，本文原作者将为大家介绍FireSim平台——这是一个在加州大学伯克利分校的计算机架构研究小组开发的新的硬件模拟平台，它可以使用Amazon EC2 F1实例进行快速、可伸缩的硬件模拟。

▲将8个节点的FireSim集群模拟映射到Amazon EC2 F1

FireSim为致力于研究新的机架规模系统的硬件和软件开发人员提供便利：软件开发人员可以使用新的硬件特性的模拟节点，就像使用一台真正的机器，而硬件开发人员完全控制硬件模拟，可以运行真实的软件栈即便硬件仍处于开发阶段。

为什么是FireSim + F1 ?

FPGA加速硬件模拟绝不是一个新概念。然而，之前使用FPGAs进行模拟的尝试都有很多的可用性、可伸缩性和成本问题。FireSim利用EC2 F1和开源硬件来解决传统的FPGA加速模拟问题如下：

问题1:基于FPGA的模拟一直都很昂贵，很难进行部署，而且很难复制。

FireSim使用像F1这样的公共云基础设施，不需要预先购买和部署FPGAs。开发人员和研究人员可以发布预先构建的AMI和AFI，就像在这次公开演示中所表现的一样(稍后在本文中提供的更多细节)，使实验易于复制。FireSim还自动化了部署FPGA模拟的大部分工作，本质上是在FPGA集群上启用一键转换，从新的RTL转换到部署。

问题2: 传统基于FPGA的模拟很难扩展(而且昂贵)。

因为FireSim使用F1，用户可以通过增加额外的EC2实例来扩展实验，而不是花费数十万美元在大型FPGA集群上。

问题3:寻找开放的硬件来模拟传统上是很困难的，找到可以运行真正的软件栈的开放硬件更加困难。

FireSim模拟了RocketChip，一个开放的、通过硅验证的、基于RISC-V的处理器平台，并添加了一些外围设备，比如网卡和磁盘设备，以建立一个现实的系统。实现RISC-V的处理器会自动支持真正的操作系统(比如Linux)，甚至支持Apache和Memcached等应用程序。研究团队提供了一个自定义的基于构建的FireSim Linux发行版，它在其模拟节点上运行，并包含许多流行的开发工具。

问题4:在传统的HDL中编写硬件非常耗时。

FireSim和RocketChip都使用Chisel HDL，它将现代编程范式引入到硬件描述语言中。Chisel极大地简化了构建大型、高度参数化的硬件组件的过程。

如何使用FireSim进行硬件/软件协同设计

FireSim通过充当硬件开发人员和系统软件开发人员之间协作的按钮界面，极大地改进了硬件和软件的共同设计过程。下图描述了硬件和软件开发人员在处理FireSim时使用的工作流程。

▲FireSim自定义硬件开发工作流程

硬件开发人员的角度——

·为你的加速器，外部设备，或处理器修改像Chisel这样的生产语言编写自定义RTL。

·在标准的门级模拟工具中运行硬件设计的软件模拟，以进行早期调试。

·运行FireSim构建脚本，它会自动构建您的模拟，通过Vivado工具链/ AWS shell脚本运行它，并发布一个AFI。

·使用生成的模拟驱动程序和AFI，在EC2 F1上部署您的模拟

·运行由软件开发人员发布的真实软件，以评测您的硬件

软件开发人员的角度——

·部署由硬件开发人员在F1实例上生成的AMI / AFI，以模拟一组节点(或者扩展到许多F1节点，用于更大的模拟核心计数)。

·将SSH连接到集群中的模拟节点并启动包含FireSim的Linux发行版。这个分布很容易定制，并且已经支持许多标准软件包。

·使用与软件相同的接口来直接原型化你的软件，当未来在真正的系统上部署时，会原型化的，与软件的性能特征相同，即使是在规模上。

　　未来计划

本文原作者表示，未来将继续改进FireSim平台，以便在未来的数据中心架构(如FireBox)中进行自己的研究。FireSim平台最终将支持更复杂的处理器、自定义加速器(如Hwacha)、网络模型和外围设备，除此之外还可以扩展到更多的FPGA。在未来，研究团队将开源整个平台，包括Midas，用于将RTL转换为FPGA模拟器的工具，允许用户修改硬件/软件堆栈的任何部分。

文章来源与AWS官方博客，了解详细内容请查阅：https://aws.amazon.com/cn/blogs/compute/bringing-datacenter-scale-hardware-software-co-design-to-the-cloud-with-firesim-and-amazon-ec2-f1-instances/