FPGA-based SmartNICs and IoT devices integrating soft-processors for network function execution have emerged to address the limited hardware reconfigurability of DPUs and MCUs. However, existing FPGA-based solutions lack a highly configurable many-core architecture specialized for network packet processing. This work presents VeBPF many-core architecture, a resource-optimized and highly configurable many-core architecture composed of custom VeBPF (Verilog eBPF) CPU cores designed for FPGA-based packet processing. The VeBPF cores are eBPF ISA compliant and implemented in Verilog HDL for seamless integration with existing FPGA IP blocks and subsystems. The proposed many-core architecture enables parallel execution of multiple eBPF rules across multiple VeBPF cores, achieving low-latency packet processing. The architecture is fully parameterizable, allowing the number of VeBPF cores and eBPF rules to scale according to application requirements and available FPGA resources. eBPF rules can be dynamically updated at run time without requiring FPGA reconfiguration, enabling flexible and adaptive network processing. The design incorporates hardware and computer architecture optimizations that support deployment across a wide range of platforms, from low-end FPGA-based IoT devices to high-end FPGA-based SmartNICs. In addition, we present automated testing and simulation frameworks developed using open-source tools such as Python and Cocotb. The VeBPF cores, many-core architecture, control software libraries, and simulation infrastructure are released as open source to support further research in FPGA-based many-core systems, eBPF acceleration, SmartNICs, IoT, and network security.


翻译:基于FPGA的智能网卡和物联网设备通过集成软处理器来执行网络功能,以应对DPU和MCU硬件可重构性有限的挑战。然而,现有的基于FPGA的解决方案缺乏专门用于网络数据包处理的高度可配置众核架构。本文提出VeBPF众核架构,这是一种资源优化且高度可配置的众核架构,由定制的VeBPF(Verilog eBPF)CPU核组成,专为基于FPGA的数据包处理而设计。VeBPF核符合eBPF指令集架构,并使用Verilog HDL实现,以便与现有的FPGA IP模块和子系统无缝集成。所提出的众核架构支持在多个VeBPF核上并行执行多个eBPF规则,实现低延迟的数据包处理。该架构完全参数化,允许根据应用需求和可用FPGA资源动态调整VeBPF核的数量和eBPF规则规模。eBPF规则可在运行时动态更新,无需重新配置FPGA,从而实现灵活自适应的网络处理。设计融合了硬件与计算机架构优化,支持从低端基于FPGA的物联网设备到高端基于FPGA的智能网卡等多种平台的部署。此外,我们介绍了使用Python和Cocotb等开源工具开发的自动化测试与仿真框架。VeBPF核、众核架构、控制软件库及仿真基础设施已作为开源项目发布,以支持基于FPGA的众核系统、eBPF加速、智能网卡、物联网及网络安全领域的进一步研究。

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