CPU不堪重負(fù)，F(xiàn)PGA來助陣！

本刊記者薛士然

據(jù)分析師預(yù)測，到2020年互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量會(huì)大得驚人：平均每位互聯(lián)網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)流量達(dá)1.5 GB/天，自動(dòng)駕駛汽車產(chǎn)生數(shù)據(jù)達(dá)4 TB/天，聯(lián)網(wǎng)飛機(jī)的數(shù)據(jù)達(dá)5 TB/天，智能工廠產(chǎn)生的數(shù)據(jù)達(dá)1 PB/天，云視頻提供商每天的數(shù)據(jù)流量高達(dá)750 PB/天……如此龐大的數(shù)據(jù)量，必然會(huì)給數(shù)據(jù)中心帶來巨大的壓力，加之?dāng)?shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用，更會(huì)讓CPU不堪重負(fù)，這種情況下該怎么辦？

近日，英特爾公司可編程解決方案事業(yè)部副總裁兼客戶體驗(yàn)事業(yè)部總經(jīng)理Rina Raman告訴了大家一個(gè)解決方案，那就是借助FPGA！

2015年6月，英特爾高價(jià)收購了當(dāng)時(shí)的第二大FPGA公司Altera，開始涉足FPGA領(lǐng)域。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展來的，主要包括以下幾部分：可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、完整的時(shí)鐘管理、嵌入塊式RAM、豐富的布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌專用硬件模塊。

FPGA具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，甚至是高性能CPU都可以用FPGA來實(shí)現(xiàn)(要知道，所有ASIC的設(shè)計(jì)都是通過FPGA來實(shí)現(xiàn)物理驗(yàn)證的)。FPGA如同一張白紙：加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后進(jìn)入工作狀態(tài)；掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失。因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用，其優(yōu)勢就是可以用硬件電路實(shí)現(xiàn)并行處理。

一個(gè)ASIC SoC的設(shè)計(jì)周期是14到24個(gè)月，而一個(gè)FPGA是半成品，因而設(shè)計(jì)時(shí)間要縮短一半。如果將x86處理器和FPGA結(jié)合起來創(chuàng)造新型異構(gòu)處理器，還可以繼續(xù)實(shí)現(xiàn)摩爾定律，而且這樣的處理器既擁有x86的高性能，又通過FPGA實(shí)現(xiàn)了靈活性，堪稱是一種完美的方案。

Rina介紹，隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行根本性的轉(zhuǎn)型，如此眾多的設(shè)備涌入網(wǎng)絡(luò)，就需要將網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行虛擬化，很多功能需要從專用硬件轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)中心軟件中來運(yùn)行，這種情況下采用FPGA是一個(gè)非常不錯(cuò)的解決方案，而且隨著數(shù)據(jù)量的增長、計(jì)算環(huán)境的改變以及對功耗的要求越來越苛刻，要對計(jì)算進(jìn)行加速，CPU+FPGA的異構(gòu)架構(gòu)確實(shí)是目前來看最好的方式。CPU是核心引擎，作為專用加速器，F(xiàn)PGA在靈活加速中使用，因?yàn)槿绱舜罅康臄?shù)據(jù)需要處理，負(fù)載一定是動(dòng)態(tài)變化的，F(xiàn)PGA是軟件定義的硬件，能夠應(yīng)對不斷出現(xiàn)的變化，充分發(fā)揮硬件的性能。

Rina還舉例詳細(xì)介紹了異構(gòu)計(jì)算中FPGA的作用，F(xiàn)PGA配合英特爾的至強(qiáng)處理器在計(jì)算處理中可以采用兩種方式：旁路加速和內(nèi)建加速。在數(shù)據(jù)庫加速應(yīng)用中，swarm64采用了英特爾的FPGA方案，使用內(nèi)建加速方式，在數(shù)據(jù)處理之前先進(jìn)行壓縮，結(jié)果實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析速度快了5倍，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)倉儲(chǔ)速度快了2倍，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)壓縮速度快了3倍。在基因測序應(yīng)用中，Broad Institute使用了英特爾的FPGA后取得了突破性的進(jìn)步，采用Pair-HMM算法后，基因測序速度提高了50倍，改變了此行業(yè)的現(xiàn)狀。

以上應(yīng)用案例足以顯示FPGA在計(jì)算加速中的優(yōu)勢，也讓我們更加理解了英特爾斥巨資收購Altera的初衷。目前，英特爾的FPGA產(chǎn)品狀況如下：用于高端的Stratix 10已有樣片，用于中端的Arria 10已經(jīng)全面投產(chǎn)，還有已經(jīng)大量出貨的Cyclone 10和正在發(fā)運(yùn)中的Max 10，廣泛的產(chǎn)品線完全能夠滿足多種應(yīng)用需求。Rina還透漏，英特爾正在研發(fā)下一代產(chǎn)品，也是Altera并入英特爾后的第一代新產(chǎn)品，內(nèi)部代號(hào)為Falcon Mesa，計(jì)劃采用英特爾10 nm工藝制程，會(huì)采用新的接口規(guī)范。

據(jù)Rina介紹，其實(shí)英特爾一直在研究如何更好地將CPU與FPGA融合，研究緊密耦合的英特爾架構(gòu)處理器是未來考慮的一個(gè)方向。因?yàn)槟壳癈PU和FPGA各自有自己的開發(fā)工具，英特爾希望將兩者的開發(fā)工具、結(jié)構(gòu)框架、軟件環(huán)境加以整合，這樣就更方便了工程師實(shí)現(xiàn)開發(fā)應(yīng)用。將FPGA與CPU融合，如此大膽的想法，目前也只有英特爾可以想！