面对数据洪流CPU力不从心，FPGA异构发挥特效

面对数据洪流CPU力不从心，FPGA异构发挥特效


消息来源：http://www.eefocus.com/mcu-dsp/394499


万物互联的世界，与之相伴相生的是奔腾而来的数据“洪流”。
“预测到 2020 年，每天一个互联网用户会产生1.5GB的数据，无人驾驶汽车为4TB，智慧工厂接近有1PB，云视频供应商则产生750PB的数据量。
不仅如此，界时将会有 500亿个终端联网，远远超过目前的80亿，IP 的流量也将达到 2300 EP/年。”
英特尔可编程解决方案事业部副总裁兼客户体验事业部总经理 Rina Raman 援引的数值惊人。
如何在数据中心和本地高速处理更多的数据、进行更复杂的计算、应对更具挑战性的工作负载如机器学习等成为数据量指数级增长带来的必答题。

01 FPGA成异构架构“神助攻”

应对这些挑战，需要平台架构的新“配置”。而要靠以往的CPU等“单打独斗”的同构架构或心力不逮，异构架构组合已不再是一种趋势，而是现实。

在异构架构组合中，以CPU（GPU）、FPGA 以及专用加速器（ASSP和ASIC等）等来“玩转”。
而FPGA由于兼具硬件高性能和软件可编程能力，在异构计算中扮演不可或缺的“加速”角色。

“经过不断的演进，FPGA不仅拥有巨大的编程灵活性，支持高度差异化的产品，还可以在现场进行重新配置，虚拟加速任何数字的算法。
同时FPGA也支持并行运算，其性能从吞吐量、实时速度到能耗比 CPU 或 GPU 要优上 10 倍。
相比ASIC，FPGA具有硬件可升级可迭代的优势。
此外 FPGA 还可以更低的时延处理更大的数据。”
Rina Raman简要阐述了FPGA的优势。
  
Rina Raman还特别指出，FPGA在异构计算中有两种加速形式，即旁路加速和内建加速。
旁路加速可以将重度计算功能转移到FPGA上，从而释放处理器去处理其他功能；而如果时延比较重要，则可以进行内建加速，从而通过FPGA的多功能性带来更好的存储和计算的加速。

02 在众多应用中发挥特效

面向当下传统应用的升级和新兴应用的兴起，FPGA亦扮演不同的“角色”，最重要的是如何让其发挥“本色”。

例如，在当下热点之一的无人驾驶，对计算性能有更多的需求，但算法的不确定性还可能会导致计算的孤岛，每个孤岛都可能有不同的硬件和开发环境，这对制造商而言是不可持续的。
“FPGA在以下两个方面将发挥关键作用：一是本地计算，如传感器融合、深度学习计算。二是安全可靠的5G连接。”
Rina Raman强调。

不只是无人驾驶，智慧城市的计算孤岛也正在出现，比如交通管理系统和照明管理系统、泊车管理系统和摄像头，这些众多不同的系统采用了不同的架构和开发环境，而且彼此之间数据难以共享。Rina Raman提出的方案是英特尔的CPU加上FPGA就能取代这些专有的架构，提供本地计算、连接和分析的能力，以应对未来更加复杂的网络环境。

随着演进的深入和物联网的不断发展，网络亦需要进行根本性的转型，涉及本地网、城域网、骨干网甚至数据中心。
“转型的关键是网络功能虚拟化，即将一些关键的功能（如交换、安全性、检测与报告等）从专用的硬件处理转移到数据中心的软硬件处理。”
Rina Raman分析说：
“而FPGA 能够加速一些关键数据包的交换、检测以及安全任务处理，还可加速MIMO天线的计算和基带信号处理能力，解决安全及其他一些可能会制约发展的网络问题。”

而繁盛的云计算带来的是工作负载及其构成的动态变化，甚至某些工作负载所需要的性能即使 CPU 在合理的功耗水平之下亦难以实现，虽然可配置GPU或ASIC等，但服务器上往往没有空间，也没有足够的功率支持所有芯片。
因而，一些云服务提供商已转向FPGA。
“通过英特尔FPGA 和 Xeon CPU连接，可针对性地提供搜索、计算、加密、分组处理和机器学习的硬件加速。
一旦发生变化，设计人员可对FPGA进行重新配置，以满足更新的需求。”
Rina Raman表示。

可以说，无论是传感器融合、机器学习、高性能计算、数据分析等领域，FPGA已在更多样化的应用已中崭露头角，而成效亦有“数据”为证。
看看下面的实例：Swarm64公司采用FPGA做数据库的加速，分析能力达之前的5倍，数据仓库能力提升2倍，存储压缩能力扩大3倍。
在基因测序方面，数据量大而复杂，英特尔和 Broad Institute共同开发了基因分析的软件工具包——GATK，其 Pair HMM 算法提高了50倍，总业务流提高了 1.2 倍。
而Attala采用英特尔 FPGA 重新设计和开发的新一代的存储和网络基础设施，在读写速度的时延方面降低了57%—72%。

03 下一代FPGA已来

当年英特尔收购Altera成为英特尔PSG事业部的威力也在逐渐显现，借助于英特尔超强的代工实力，FPGA的“进阶”亦实现了大跨越。
“最新的Stratix 10高端芯片已经有样片，Arria 10产品已经在全面生产，而Cyclone 10和Max 10已可大量出货。”
Rina Raman介绍道。

而英特尔下一代 FPGA——Falcon Mesa也将“闪耀”登场。
Rina Raman提到，它采用了英特尔最先进的FinFET 10nm制程技术，也是第二代使用 HyperFlex 架构和基于EMIB（英特尔接口规范）的异构SIP。
“Falcon Mesa是 Altera 并入之后第一代使用了英特尔10nm制程的FPGA。
新产品会支持下一代HBM，转换速率达112Gbps，还支持PCIe 4x16，意味着支持的带宽能够达到16TB。”
从Rina Raman的表述可看出英特尔对Falcon Mesa的重视。
  
“英特尔为FPGA带来强大的封装能力、制程技术和光学能力，以及开发工具、广泛的CPU组合和生态系统，将助力FPGA不断拓展应用。”
Rina Raman强调。

前些年英特尔高层曾宣布，到2020年，将有高达三分之一的数据中心使用混合的CPU+FPGA架构，当里业内的反应是十分震惊。
但近年来FPGA不断在多元化的应用领域中释放潜力，或许业界更要习以为常FPGA的黄金时代。

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在异构架构组合中，以CPU（GPU）、FPGA 以及专用加速器（ASSP和ASIC等）等来“玩转”

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