基于SDAccelTM 開發(fā)環(huán)境減少FPGA在應(yīng)用中使用時造成的障礙

賽靈思SDAccel 環(huán)境能在FPGA 上提供類似CPU的開發(fā)與運行時間體驗，減輕數(shù)據(jù)中心設(shè)計負擔(dān)。

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從支持中小機構(gòu)運作的服務(wù)機房，到支持美國大型企業(yè)和提供云計算服務(wù)接入的企業(yè)級數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心在現(xiàn)代經(jīng)濟中發(fā)揮著骨干作用。根據(jù)自然資源保護委員會的統(tǒng)計，數(shù)據(jù)中心是美國用電量最大、增長最快的用電大戶之一。2013 年美國數(shù)據(jù)中心估計耗電約910億千瓦時，超過紐約市全部居民用電的兩倍以上，而且到2020 年用電量有望達到1400 億千瓦時[1]。很明顯，降低用電對于擴展數(shù)據(jù)中心，提升可靠性和降低運營成本具有重要意義。

根據(jù)具體的服務(wù)器應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心各個不同。許多服務(wù)器長期不間斷運行，使得硬件可靠性和耐用性極為重要。雖然服務(wù)器可以使用商用計算機部件組裝，但關(guān)鍵任務(wù)型企業(yè)級服務(wù)器往往使用以硬件加速為目的的專用硬件，如圖形處理單元（GPU）和數(shù)字信號處理器（DSP）?，F(xiàn)在許多企業(yè)尋求使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），因為FPGA 是一種高度并行的架構(gòu)，而且功耗相對較低。賽靈思的新款SDAccelTM 開發(fā)環(huán)境為開發(fā)人員提供了一種熟悉的CPU 或類似CPU 的環(huán)境，避免編程給FPGA 在此類應(yīng)用中使用時造成的障礙。

提升性能功耗比

Amazon We b 服務(wù)、Google Compute、Microsoft Azure 和中國的百度等公有云（public cloud）擁有巨大的圖片庫，需要極快的圖像識別能力。在一個實現(xiàn)方案中，谷歌科技人員將16000 個計算機處理器連接為一個實體，創(chuàng)建出了一個極為龐大的機器學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后投放到互聯(lián)網(wǎng)上，讓其自主學(xué)習(xí)。這項研究是新一代計算機科學(xué)的代表。這一代計算機科學(xué)以充分利用大型數(shù)據(jù)中心中的大量計算機集群的運算能力為目標。潛在應(yīng)用包括讓圖像搜索、語音識別和機器語言翻譯能力邁上新的臺階。但是對數(shù)據(jù)中心設(shè)計而言，僅依靠充分利用CPU 并非是一種高能效的做法。要提高速度、降低功耗，還需要其他解決方案。

中國最大的搜索引擎百度借助于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理技術(shù)來解決語音識別、圖像搜索和自然語言處理方面的問題。百度迅速判定，如果在在線預(yù)測中使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向傳播算法，F(xiàn)PGA 解決方案在降低功耗的同時，還能以比CPU/GPU 簡便得多的方式進行擴展[2]。

因在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的主機卡和線路卡中集成了FPGA，新一代28nm和20nm 高集成度FPGA 系列（如賽靈思7 系列和UltraScaleTM 器件）正在改變數(shù)據(jù)中心動態(tài)發(fā)展狀況。性能功耗比可以輕松達到CPU/GPU 的20倍以上，同時在某些應(yīng)用中與傳統(tǒng)CPU 相比，時延可降低50 至75倍。

但是對FPGA 硬件資源有限或缺乏的開發(fā)團隊而言，由于需要使用RTL（VHDL 或Verilog）開發(fā)專業(yè)知識才能充分發(fā)揮FPGA 的性能優(yōu)勢，因此過渡到FPGA 難度較大。為解決這一問題，賽靈思已引入開放計算機語音（OpenCLTM）作為減輕編程負擔(dān)的方法。

OpenCL代碼移植性

由蘋果公司開發(fā)并經(jīng)Khronos 集團推廣的OpenCL [3] 有助于異構(gòu)設(shè)計中的CPU、GPU、FPGA 和DSP 模塊集成。為增強用于編寫可在異構(gòu)平臺上運行的程序的OpenCL 框架，賽靈思等業(yè)界領(lǐng)先的CPU、GPU 和FPGA廠商都在為這種語音及其API 的開發(fā)做出努力。

OpenCL 被CPU/GPU/FPGA 廠商、服務(wù)器OEM 廠商以及數(shù)據(jù)中心管理人員等日益廣泛地接受，說明各方都已經(jīng)認識到一個嚴峻的現(xiàn)實：用于單處理器架構(gòu)的C 語言編譯器在服務(wù)器機架內(nèi)部只能實現(xiàn)小幅總體功耗降低，即便是在處理器采用低于20nm 的工藝技術(shù)并添加特殊省電狀態(tài)后依然如此。

OpenCL 是一種用于編寫可在由CPU、GPU、DSP、FPGA 及其它處理器構(gòu)成的異構(gòu)平臺上運行的程序的框架。OpenCL 包含基于C99 的編程語言和應(yīng)用編程接口（API），以控制平臺和在目標器件上執(zhí)行程序。OpenCL 使用基于任務(wù)和基于數(shù)據(jù)的并行機制提供并行計算功能。

SDAccel編譯器相對CPU性能提高10倍，且功耗僅為GPU的1/10。
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