英特爾FPGA：理想的加速器之選

自2015年底，Altera被英特爾收購(gòu)之后成為英特爾的可編程解決方案事業(yè)部，除延續(xù)原本的產(chǎn)品線之外，一個(gè)比較新的產(chǎn)品線策略就是針對(duì)于數(shù)據(jù)中心、計(jì)算業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)開發(fā)新的加速產(chǎn)品。直至去年10月，英特爾發(fā)布了搭載Arria 10GX FPGA芯片的可編程加速卡（PAC）；時(shí)隔半年，2018年4月，英特爾宣布領(lǐng)先的原始設(shè)備制造商戴爾和富士通均在其服務(wù)器系列中采用了英特爾 的FPGA加速產(chǎn)品。這是可重新編程芯片的首次重要使用，旨在加速現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中的主流應(yīng)用。

英特爾 FPGA：理想的加速器之選

據(jù)英特爾可編程解決方案事業(yè)部亞太區(qū)市場(chǎng)拓展經(jīng)理劉斌介紹，英特爾公司一個(gè)重要戰(zhàn)略就是從PC為中心逐漸轉(zhuǎn)移成以數(shù)據(jù)為中心的企業(yè)，且英特爾向客戶提供數(shù)據(jù)的價(jià)值不單指數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)移，而是能夠?qū)?shù)據(jù)快速地轉(zhuǎn)移成信息，幫助用戶進(jìn)行下一步的決策。在這個(gè)過(guò)程中，如何快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析是首要的難題。對(duì)此，單純的CPU已經(jīng)無(wú)法滿足需求，CPU+GPU、CPU+ASSP/ASIC、CPU+FPGA等異構(gòu)架構(gòu)的組合更為人所青睞。其中FPGA由于兼具硬件高性能和軟件可編程能力，在異構(gòu)計(jì)算中優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

對(duì)于FPGA加速在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用，英特爾主要做了三方面的工作。其一是推出FPGA可編程加速卡；其二是將加速卡擴(kuò)展為至強(qiáng)CPU+FPGA的加速平臺(tái)，內(nèi)含加速堆棧。除此之外，英特爾還邀請(qǐng)各種類型的伙伴，包括FPGA內(nèi)部加速器的開發(fā)伙伴、系統(tǒng)集成商、軟件應(yīng)用集成商等，合力去支持不用垂直領(lǐng)域的加速方案建設(shè)，攜手創(chuàng)建FPGA加速應(yīng)用的生態(tài)系統(tǒng)。

劉斌表示：“由于數(shù)據(jù)正呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商需要保持大規(guī)模性能需求和運(yùn)營(yíng)效率之間的平衡。為了提升性能與功效，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商紛紛尋求有效的加速手段。隨著FPGA加速的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越得到認(rèn)可，我們也發(fā)現(xiàn)很多數(shù)據(jù)中心的用戶，想要采購(gòu)FPGA加速卡，實(shí)際上是需要通過(guò)主流的OEM廠商所提供的服務(wù)器資源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只有這樣FPGA加速器才能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，才能保證在英特爾的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上提供可編程加速卡，并且通過(guò)這些頂級(jí)OEM的認(rèn)證也是一個(gè)非常重要的步驟。這同樣是我們客戶能夠大規(guī)模采用FPGA加速的一個(gè)很重要的前提?！?/p>

此次，戴爾和富士通這兩家OEM廠商率先將英特爾可編程加速卡大規(guī)模集成到自家主流服務(wù)器當(dāng)中，目前，戴爾 EMC PowerEdge R640、R740 和 R740XD 服務(wù)器已可以進(jìn)行大規(guī)模部署，未來(lái)更多服務(wù)器將支持這一功能；而在富士通也在PRIMERGY 服務(wù)器中部署采用 Arria 10 GX FPGA 的英特爾可編程加速卡，以吸引重要客戶。英特爾 FPGA 可為新型數(shù)據(jù)中心奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，憑借出色的多功能性和速度可支持處理從數(shù)據(jù)分析到金融服務(wù)的各種工作負(fù)載。這是英特爾可編程芯片快速發(fā)展進(jìn)程中的又一座里程碑。

加速堆棧：有效降低客戶應(yīng)用門檻

無(wú)論從開發(fā)社區(qū)還是生態(tài)環(huán)境來(lái)看，F(xiàn)PGA都不像計(jì)算領(lǐng)域那么廣泛。如何提升FPGA的應(yīng)用性，降低客戶的應(yīng)用門檻是一個(gè)非常重要的任務(wù)。

因此，英特爾在FPGA加速卡上，配套地推出了一套英特爾至強(qiáng)處理器和FPGA協(xié)同工作的叫加速堆棧（或稱加速軟件棧，英文：Acceleration Stack），它能夠?yàn)檐浖_發(fā)人員提供強(qiáng)大的支持，目標(biāo)是希望更多用戶來(lái)使用這樣的加速平臺(tái)，能夠降低他們?cè)谑褂眠@個(gè)加速平臺(tái)時(shí)候的應(yīng)用門檻。

劉斌稱：“加速堆棧從意義上來(lái)講非常重要，我們希望業(yè)內(nèi)人士在做FPGA加速的時(shí)候可以有一個(gè)參照物，加速堆棧就是這樣一個(gè)存在?！彼奶攸c(diǎn)在于它并不和一個(gè)特定的加速功能或者一個(gè)垂直領(lǐng)域的加速需求綁定，而是具有通用性。例如運(yùn)行在處理器上的軟件需要訪問(wèn)FPGA加速器，或是配置FPGA里面的加速器，或者對(duì)虛擬機(jī)的支持、對(duì)安全性的要求、對(duì)用戶數(shù)據(jù)的隔離要求等，所有這些通用的功能，集合在一起，做成一個(gè)軟件棧，即加速堆棧。它和加速卡、至強(qiáng)處理器一起構(gòu)成FPGA在更廣泛的云數(shù)據(jù)中心上或通用加速平臺(tái)上工作的一個(gè)前提。

以前FPGA沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的加速卡，或者沒(méi)有一組標(biāo)準(zhǔn)的軟件應(yīng)用訪問(wèn)接口，每一個(gè)公司都要自己開發(fā)自己的東西，所以互相之間是不互通的?，F(xiàn)在有了這樣一套相對(duì)通用的加速堆棧，不同的合作伙伴開發(fā)出來(lái)的加速器也好和應(yīng)用軟件，都可以比較好地在不同平臺(tái)上做移植，極大地?cái)U(kuò)展了用戶去代碼復(fù)用、IP復(fù)用的能力。對(duì)于英特爾來(lái)說(shuō)，也希望這個(gè)加速堆棧提供的功能可以降低用戶使用FPGA加速卡的門檻。

FPGA加速應(yīng)用藍(lán)海廣闊

為了有力支持英特爾 FPGA加速的應(yīng)用效果，劉斌介紹了英特爾 FPGA加速面向財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析和數(shù)據(jù)庫(kù)加速的全新高性能解決方案。

財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析在金融市場(chǎng)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，尤其是在股市動(dòng)蕩比較激烈或是全球部分地區(qū)政治動(dòng)蕩比較激烈的時(shí)候，更是如此。財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析市場(chǎng)增長(zhǎng)是非?？斓?，復(fù)合增長(zhǎng)率在15%左右。本質(zhì)上來(lái)講，財(cái)務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)分析是一個(gè)大數(shù)據(jù)問(wèn)題，數(shù)據(jù)量大至TB級(jí)別，且是計(jì)算密集型，非常耗費(fèi)計(jì)算力的。另一方面，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型在不斷的演進(jìn)中，且演進(jìn)速度也非?？?，模型的變化也相應(yīng)增加了計(jì)算復(fù)雜度?；谝陨戏治?，如果用純粹軟件的方式來(lái)處理財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析的問(wèn)題，不僅性能上存在限制，且反應(yīng)的時(shí)間不足以讓人滿意。而將FPGA加速應(yīng)用于財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析，以期權(quán)計(jì)算為例，可將每符號(hào)算法加速850%，端到端期權(quán)交易模擬加速可提速2倍以上。

不同于財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析是一個(gè)非常垂直市場(chǎng)的模型，數(shù)據(jù)庫(kù)廣泛地應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，甚至針對(duì)同樣一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的部署，不同的用戶使用的方式也是不一樣的。因此數(shù)據(jù)庫(kù)中，F(xiàn)PGA加速所要解決的問(wèn)題也是不一樣的。數(shù)據(jù)庫(kù)加速所面臨的主要挑戰(zhàn)有用于交易和分析的混合數(shù)據(jù)庫(kù)阻礙實(shí)時(shí)分析、與多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施成文問(wèn)題、查詢耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)、新舊數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法應(yīng)對(duì)同類型查詢等。以FPGA加速來(lái)增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫(kù)性能，主要從兩個(gè)環(huán)節(jié)下手，一個(gè)是說(shuō)FPGA可以非?？焖俚匕汛罅康牟樵冎噶钸M(jìn)行轉(zhuǎn)化，二是FPGA通過(guò)人工智能、深度學(xué)習(xí)對(duì)實(shí)時(shí)分析階段的加速。數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用FPGA加速數(shù)據(jù)庫(kù)，可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析加速20倍，將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)加速2倍，將存儲(chǔ)壓縮加速3倍。

以上只是兩個(gè)應(yīng)用案例，事實(shí)上，英特爾在全球邀請(qǐng)了幾十家合作伙伴一起來(lái)開發(fā)不同領(lǐng)域里面FPGA加速的完整解決方案，雙方的合作領(lǐng)域涉及數(shù)據(jù)分析、人工智能、視頻轉(zhuǎn)碼、網(wǎng)絡(luò)安全、金融加速以及基因研究各方面。