以英特爾CPU+FPGA架構敲開未來互聯的大門

　　互聯的世界其實就是一個大數據的時代，數據的需求呈現出一個指數型的增長，有人預測，在2020年數據會大爆發(fā)，話不多說，看下圖。

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　　這么大的數據量，意味著網絡就必須要在更高的速度上處理更多的數據，數據中心也必須要做更復雜的計算、處理更大的數據集，即使嵌入式的終端和設備也要做很多本地的計算。

　　除此之外，數據中心還需要應對一些更加具有挑戰(zhàn)性的工作負載，比如要進行大數據的分析，還有機器學習，這其中會出現一些瓶頸和計算的熱點，CPU單獨無法應對，這個時候就需要FPGA。

　　9月19日，在英特爾FPGA技術大會后的媒體發(fā)布會上，英特爾可編程解決方案事業(yè)部副總裁兼客戶體驗事業(yè)部總經理Rina Raman女士跟我們分享了FPGA是如何解決這些數據難題的。

　　FPGA能干什么？

　　FPGA針對現在應用最早、轉型最厲害的六個全球市場分別為：G無線通訊，雷達和航天，網絡的轉型，云計算，智慧城市和無人駕駛車輛。

　　這幾個市場都面臨著連接數量急劇增長，計算復雜度提高的挑戰(zhàn)，而FPGA可以幫助我們很好地應對這些挑戰(zhàn)。

　　比如針對5G網絡，FPGA可以加速MIMO天線的計算和基帶的信號的處理、安全，還有其他一些可能會制約發(fā)展的網絡的功能。

　　在航空領域，特別是雷達處理到安全的通訊，面臨著包括像波速形成和過濾和更多的像機器學習的算法等方面的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的方法是我們要使用更快的CPU和DSP芯片陣列或者是ASIC專用的集成電路來應對，但是，通過使用FPGA，我們可以加速數字的處理，加速處理機器學習的一些任務，讓我們整個架構會更加簡單，而且開發(fā)的環(huán)境也更加統(tǒng)一。

　　隨著無人駕駛汽車的發(fā)展，對性能將會有一個極大的要求，再加上對算法和用力方面有很大的不確定性，所以，我們看到可能會出現計算的孤島，每個孤島都可能有自己本身的硬件和開發(fā)環(huán)境，這對制造商來說可能是不可持續(xù)的。FPGA在以下兩個領域能夠發(fā)揮非常關鍵的作用：一是本地計算，比如說傳感器、融合，二是深度學習的推算。

　　另外，在智慧城市的領域，現代化過程中也有很多計算孤島正在出現，比如交通管理系統(tǒng)和照明管理系統(tǒng)、泊車管理系統(tǒng)和安全的攝像頭，實際上他們都是各自為政，做不到系統(tǒng)之間數據的共享，英特爾的CPU加上FPGA就能取代這些專有的架構，可以提供一些像本地計算、連接和分析的能力，只需要通過加速幾個關鍵的功能就能實現。

　　還有在云的環(huán)境中，工作負載會出現動態(tài)的變化，甚至這些工作負載的構成也會出現快速的變化。有一些工作負載所需要的性能是即使在合理的功耗水平之下都難以實現的，這個時候服務器卡上需要一些特別的芯片或者配上一個GPU，專門處理并行的運算，或者是裝上網絡加速器，處理協議和安全的流量分流。還有視頻的解碼器，或者是配上ASIC專用的集成電路，用于搜索的加速和深度學習。但是，事實上在服務器上面并沒有空間，也沒有足夠的功率里支持所有這些芯片都放進去，所以，有一些云的服務提供商和數據中心的架構師就開始轉向使用英特爾最先進的FPGA的產品，就是和英特爾Xeon的CPU能夠實現很好地連接，提供搜索、計算、加密、分組處理和機器學習的硬件的加速。

　　FPGA在現實生活中的案例

　　接著，Rina Raman女士給我們介紹了很多FPGA在現實生活當中實際的案例。

　　第一個是數據庫的加速?，F在關系數據庫實際上是無處不在的，數據分析就變得至關重要了，無論是對電子商務還是廣告，對所有人來說數據分析都是最重要的事情。Swarm64是英特爾的一個合作伙伴，它就使用了我們最新的FPGA大量處理一些并行的數據，實現了很好的吞吐量，也有比較好的能耗和更高的性能。

　　Swarm64這個可擴展的數據加速器是一個無縫的插件，能夠讓我們常用的一些數據庫可以處理一些高速的大數據，無論是在云里面，還是在現場，它都可以支持任何的配置。另外，這也是一個很好的內聯加速的例子，我們可以把數據存儲在數據庫之前先進行壓縮和處理?？梢钥吹椒治瞿芰κ且郧暗?倍，數據倉庫能力是以前的2倍，存儲壓縮的能力是以前的3倍。

　　另外一個例子是基因測序，可以看到這個數據量非常大，也非常復雜，基本上是分析能力跟不上，所以說很多的研究項目被迫推遲。為此，英特爾和Broad Institute共同開發(fā)出了一個叫基因分析的工具，GATK，這是一個用于基因分析的軟件工具包，Broad Institute開發(fā)出來，主要是用于分析大吞吐量測序的數據。英特爾幫助Broad Institute加速了它的Pair-HMM提高了50倍，整個通道能力提高了2.2倍，幫助實現了DNA測序方面取得了很大的突破。

　　NVMe代表的是非易失性儲存器的規(guī)范。它是針對NVND的閃存和下一代固態(tài)的儲存技術，這也是一個內件加速的例子，不是在軟件里面進行處理，數據是在硬件里面通過FPGA來進行處理和加速的，然后再進入到Ethernet Fabric，這個基于FPGA的解決方案相比我們之前的解決方案，可以在讀寫速度的時延方面降低57-72%。

　　下圖是英特爾提供的一系列的產品，可以看到，Stratix 10最新的產品有樣片了，Arria 10的終端系列產品已經在全面生產了，Cyclone 10和Max 10已經大量出貨。

　　下一代FPGA

　　Rina Raman女士跟21ic記者介紹到，下一代FPGA的產品叫做Falcon Mesa，這是英特爾下一代基于10納米制程的新的Falcon Mesa產品?！翱梢钥吹剿鞘褂昧擞⑻貭?0納米的制程技術，基于世界上最先進的一個FinFET制程的技術，這是我們第二代使用HyperFlex架構產品，也是第二代基于EMIB的異構的SIP。EMIB實際上是英特爾接口的規(guī)范。新的產品也會支持下一代的HBM，現在Stratix 10也支持HBM，可以看到它的轉換速率可以達到112G。另外我們還支持PC/IE兼4×16的支持，就意味著支持的帶寬能夠達到16TB?！边@是Alter并入英特爾后開發(fā)出的第一代使用了英特爾10納米制程技術開發(fā)出來的產品。

　　猶記得，當年英特爾收購Alter的新聞曾轟動業(yè)界，如今，經過整合之后，兩家公司優(yōu)勢互補，擁有了更強的能力，如Stratix 10獲得了英特爾領先業(yè)界3年的制程技術，給我們帶來了更大的容量和更快的速度?！坝⑻貭柕闹瞥碳夹g是全球最創(chuàng)新的、最領先的技術，我們也是把它的制程技術用于我們Falcon Mesa的生產和制造?！盧ina Raman女士說到。

　　同時，英特爾還提供了加速堆棧，這能夠幫助開發(fā)人員輕松入門。

　　可以看到，英特爾給我們帶來的能力包括強大的封裝能力，制程的技術和光學方面的技術，包括我們可以獲得它開發(fā)的工具、處理器和它的合作伙伴的生態(tài)系統(tǒng)，這個實際上我們也可以幫助實現硬件和軟件編程的統(tǒng)一。

　　在這個過程中，intel也面臨著三個方面的轉型，Rina Raman女士跟21icj記者分享到：一是我們可以連接到網絡處理器和存儲器方面能帶來最高的性能，以及最高的FPGA的Fabric的性能。二是我們可以通過一些先進的制程技術、先進的冷卻技術和異構的整合，帶來很好的功耗方面的降低。三是我們也使傳統(tǒng)的FPGA設計工具的生產力有很大的提高，讓更多的軟件開發(fā)者可以獲得、了解我們相關的一些框架和內容。

　　“我們面臨的挑戰(zhàn)是非常復雜的，面對這樣的復雜性，可能需要不同的解決方案來應對挑戰(zhàn)。英特爾認為FPGA能夠幫助我們加速計算，幫助我們更好地應對今天以及未來數據的需求?！盧ina Raman女士最后說到。