CPU+FPGA將作為新的異構(gòu)加速模式

當前世界已進入“讀圖”時代，圖片數(shù)據(jù)占用了互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心巨大的存儲資源，為此谷歌推出壓縮比更高的WebP圖像格式，但由于算法更復雜，WebP圖像的轉(zhuǎn)碼時間更長。浪潮推出了WebP圖像有損壓縮FPGA異構(gòu)加速方案，能夠?qū)崿F(xiàn)JPEG-WebP圖片格式的快速轉(zhuǎn)換，相比傳統(tǒng)方案轉(zhuǎn)換效率最高能提升14倍，能夠支撐更高并發(fā)密度的圖片實時檢索、傳輸?shù)热蝿?wù)。

基于業(yè)界最強性能的浪潮F10A FPGA的圖像壓縮加速方案

這是一個“讀圖”的時代

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，圖片正在成為日常資訊中重要的組成部分，從一定程度上來講我們已經(jīng)進入了“讀圖”時代。根據(jù)研究表明，全球設(shè)備產(chǎn)生的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)模在2019年預計達到每月24.3EB，其中，60%的數(shù)據(jù)流量來源于圖片?！白x圖時代”尤其是“大圖時代”，這么多高質(zhì)量的圖片存在哪？存儲成本急劇上升怎么解？

用計算能力“換取”存儲空間

目前，互聯(lián)網(wǎng)主流的圖片格式包括JPEG、GIF等，但是由于壓縮比小，導致圖片數(shù)據(jù)存儲占用了過多的服務(wù)器存儲資源。

WebP格式能夠大大縮小圖片文件大小

為此，谷歌發(fā)布了新的圖片有損壓縮格式——WebP，能在保證圖像質(zhì)量的前提下，數(shù)據(jù)大小相比JPEG降低39.8%，相比PNG降低26%，相比GIF降低64%。使用WebP格式圖片后頁面平均傳輸時間減少33%，網(wǎng)頁加載時間降低10%。

在國內(nèi)，騰訊的新聞客戶端、QQ空間等也開始嘗試向WebP切換，流量峰值帶寬可以降低9GB，圖片的延時和數(shù)據(jù)下載延時降低100ms。但是WebP的應(yīng)用落地仍存在門檻，因為WebP其實是需要用計算能力“換取”存儲空間。

由于采用了更復雜的壓縮算法，與JPEG相比，WebP格式圖片的編解碼過程都需要消耗更多的計算資源，導致處理效率低10倍甚至更多。并且，CPU在處理高并行任務(wù)時并不那么高效，因此研發(fā)出一種更高效的圖片編解碼加速硬件是WebP快速落地的關(guān)鍵。

FPGA加速壓縮算法，整體性能可提升14倍

單一圖片的編解碼對于計算設(shè)備而言是一種小計算量任務(wù)，但是這種任務(wù)并發(fā)很多，同一時間要處理的圖片的數(shù)量多。如果使用串行計算的CPU來處理，處理效率就會受限于時鐘頻率。

因此，浪潮采用并行計算能力強的計算平臺FPGA來進行圖片編解碼，通過把高性能計算算法中固有的并行運算部分硬件化來實現(xiàn)應(yīng)用加速。在處理大規(guī)模并發(fā)任務(wù)時，可以提供更多管道，也就是說可以同時并行執(zhí)行大量的指令。因而通過合理的配置，F(xiàn)PGA可以同時執(zhí)行大量的數(shù)據(jù)吞吐操作，在這種情況下，該設(shè)備相當于多個傳統(tǒng)CPU在同時工作。

浪潮WebP圖像壓縮FPGA異構(gòu)加速方案，基于浪潮研發(fā)的業(yè)界最高密度的FPGA卡-F10A。并針對圖片數(shù)據(jù)的壓縮任務(wù)，嵌入基于FPGA計算環(huán)境下的WebP編解碼優(yōu)化算法，通過充分利用硬件流水設(shè)計和任務(wù)級并行，大大提升WebP圖像壓縮編碼算法的處理性能。

浪潮實測數(shù)據(jù)顯示FPGA方案相比傳統(tǒng)方案效率提升14倍以上

根據(jù)浪潮實測，采用浪潮WebP圖像壓縮FPGA解決方案，與傳統(tǒng)實現(xiàn)方式相比，在JPEG格式轉(zhuǎn)WebP格式任務(wù)下，這一解決方案相比傳統(tǒng)CPU方案，整體處理效率平均提高9.13倍左右，最高性能可比CPU提高14倍！這意味著，圖片數(shù)據(jù)存儲所需要的服務(wù)器數(shù)量減少近一半，且能夠支撐更高并發(fā)密度的圖片檢索、傳輸?shù)热蝿?wù)。

舉個實測例子，輸入1200張2048×1536分辨率的JPEG圖片，使用雙路Xeon E5-2690v3服務(wù)器來進行WebP格式轉(zhuǎn)碼，共需要33.4秒，每秒能夠處理35張。而使用浪潮FPGA加速方案則只需要2.39秒，每秒能夠處理502張，加速比達到14.37倍！

當今社會，圖片已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)不可或缺的元素，在電子商務(wù)、即時通訊、圖片搜索、生活服務(wù)、社交平臺等領(lǐng)域，圖片所占的比重也逐漸增大，圖片存儲和分發(fā)對于數(shù)據(jù)中心運營成本的壓力也居高不下，采用浪潮WebP圖像壓縮FPGA方案，將能夠有效提升WebP格式圖片轉(zhuǎn)碼效率，進而提升網(wǎng)站、App的圖片速度，降低后臺存儲所需硬件資源。

目前，浪潮已經(jīng)在WebP圖像壓縮、Gzip數(shù)據(jù)壓縮和殘差網(wǎng)絡(luò)-ResNet等方向推出了相應(yīng)的FPGA解決方案，相比傳統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)方式，浪潮FPGA方案具有極高的性能功耗比優(yōu)勢。后續(xù)，浪潮將繼續(xù)深入研發(fā)基于FPGA的通用系統(tǒng)方案，包括深度學習、網(wǎng)絡(luò)加速、存儲優(yōu)化等，并將方案推廣到其它應(yīng)用領(lǐng)域和客戶。未來，CPU+FPGA或許將作為新的異構(gòu)加速模式，被越來越多的數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)深度學習等越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域采用。