CPU不堪重負，F(xiàn)PGA來助陣！

本刊記者薛士然

據(jù)分析師預測，到2020年互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量會大得驚人：平均每位互聯(lián)網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)流量達1.5 GB/天，自動駕駛汽車產(chǎn)生數(shù)據(jù)達4 TB/天，聯(lián)網(wǎng)飛機的數(shù)據(jù)達5 TB/天，智能工廠產(chǎn)生的數(shù)據(jù)達1 PB/天，云視頻提供商每天的數(shù)據(jù)流量高達750 PB/天……如此龐大的數(shù)據(jù)量，必然會給數(shù)據(jù)中心帶來巨大的壓力，加之數(shù)據(jù)分析、機器學習等應用，更會讓CPU不堪重負，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事業(yè)部總經(jīng)理Rina Raman告訴了大家一個解決方案，那就是借助FPGA！

2015年6月，英特爾高價收購了當時的第二大FPGA公司Altera，開始涉足FPGA領域。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(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)可重復編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構的特性，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來實現(xiàn)(要知道，所有ASIC的設計都是通過FPGA來實現(xiàn)物理驗證的)。FPGA如同一張白紙：加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后進入工作狀態(tài)；掉電后，F(xiàn)PGA恢復成白片，內(nèi)部邏輯關系消失。因此，F(xiàn)PGA能夠反復使用，其優(yōu)勢就是可以用硬件電路實現(xiàn)并行處理。

一個ASIC SoC的設計周期是14到24個月，而一個FPGA是半成品，因而設計時間要縮短一半。如果將x86處理器和FPGA結合起來創(chuàng)造新型異構處理器，還可以繼續(xù)實現(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)時代的到來，需要對網(wǎng)絡進行根本性的轉型，如此眾多的設備涌入網(wǎng)絡，就需要將網(wǎng)絡功能進行虛擬化，很多功能需要從專用硬件轉到數(shù)據(jù)中心軟件中來運行，這種情況下采用FPGA是一個非常不錯的解決方案，而且隨著數(shù)據(jù)量的增長、計算環(huán)境的改變以及對功耗的要求越來越苛刻，要對計算進行加速，CPU+FPGA的異構架構確實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，因為如此大量的數(shù)據(jù)需要處理，負載一定是動態(tài)變化的，F(xiàn)PGA是軟件定義的硬件，能夠應對不斷出現(xiàn)的變化，充分發(fā)揮硬件的性能。

Rina還舉例詳細介紹了異構計算中FPGA的作用，F(xiàn)PGA配合英特爾的至強處理器在計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)處理之前先進行壓縮，結果實時數(shù)據(jù)分析速度快了5倍，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)倉儲速度快了2倍，存儲數(shù)據(jù)壓縮速度快了3倍。在基因測序應用中，Broad Institute使用了英特爾的FPGA后取得了突破性的進步，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。

以上應用案例足以顯示FPGA在計算加速中的優(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)運中的Max 10，廣泛的產(chǎn)品線完全能夠滿足多種應用需求。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)部代號為Falcon Mesa，計劃采用英特爾10 nm工藝制程，會采用新的接口規(guī)范。

據(jù)Rina介紹，其實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處理器是未來考慮的一個方向。因為目前CPU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、結構框架、軟件環(huán)境加以整合，這樣就更方便了工程師實現(xiàn)開發(fā)應用。將FPGA與CPU融合，如此大膽的想法，目前也只有英特爾可以想！