什么是FPGA呢？FPGA怎么使用呢？

近幾年，FPGA這個(gè)名詞越來越多地出現(xiàn)在我們身邊。但對(duì)于大多數(shù)人來說，F(xiàn)PGA依然是神秘而陌生的。那么什么是FPGA呢？FPGA怎么使用呢？讓我們結(jié)合其在云計(jì)算行業(yè)中的應(yīng)用，簡(jiǎn)單介紹一下。

Q

什么是FPGA?

A

通俗來講，它是一種芯片，和我們熟知的CPU、GPU、ASIC芯片一樣，有其自己的應(yīng)用場(chǎng)景。FPGA（Field Programmable Gate Array）中文名現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列，是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL、GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)，允許無限次的編程。

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。 ?

FPGA的優(yōu)勢(shì)

近幾年人工智能、大數(shù)據(jù)各種web服務(wù)的規(guī)模在指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，而通用處理器（CPU）的摩爾定律的性能的提升遇到瓶頸。人們通過使用定制硬件來加速常見的計(jì)算任務(wù)，然而日新月異的行業(yè)又要求這些定制的硬件可被重新編程來執(zhí)行新類型的計(jì)算任務(wù)。FPGA的可編程屬性進(jìn)入人們的視野。

通常，計(jì)算密集型任務(wù)，如：矩陣運(yùn)算、圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、壓縮、非對(duì)稱加密、搜索引擎的排序等。這類任務(wù)一般是CPU把任務(wù)卸載（offload）給FPGA去執(zhí)行。對(duì)這類任務(wù)，目前我們正在用的Intel Stratix V FPGA的整數(shù)乘法運(yùn)算性能與20核的CPU基本相當(dāng)，浮點(diǎn)乘法運(yùn)算性能與8核的CPU基本相當(dāng)。

Intel Stratix 10 FPGA，配備更多的乘法器和硬件浮點(diǎn)運(yùn)算部件，理論上可達(dá)到與現(xiàn)在的頂級(jí)CPU旗鼓相當(dāng)?shù)挠?jì)算能力。 在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，F(xiàn)PGA相比與CPU和GPU的核心優(yōu)勢(shì)在于延遲更低。各芯片的延遲對(duì)比，如下圖：

對(duì)通信密集型任務(wù)，F(xiàn)PGA相比CPU、GPU 的優(yōu)勢(shì)就更大了。從吞吐量上講，F(xiàn)PGA上的收發(fā)器可以直接接上40 Gbps甚至100 Gbps的網(wǎng)線，線束處理任意大小的數(shù)據(jù)包；而CPU需要從網(wǎng)卡把數(shù)據(jù)包收上來才能處理，很多網(wǎng)卡是不能線束處理64字節(jié)的小數(shù)據(jù)包的。盡管可以通過插多塊網(wǎng)卡來達(dá)到高性能，但CPU和主板支持的PCIe插槽數(shù)量往往有限，而且網(wǎng)卡、交換機(jī)本身也價(jià)格不菲。

從延遲上講，網(wǎng)卡把數(shù)據(jù)包收到CPU，CPU再發(fā)給網(wǎng)卡，即使使用DPDK這樣高性能的數(shù)據(jù)包處理框架，延遲也有4-5微秒。更嚴(yán)重的問題是，通用CPU的延遲不夠穩(wěn)定。例如當(dāng)負(fù)載較高時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)延遲可能升到幾十微秒甚至更高，操作系統(tǒng)中的時(shí)鐘中斷和任務(wù)調(diào)度也增加了延遲的不確定性。

FPGA在云計(jì)算的應(yīng)用

云計(jì)算中心部署FPGA大致有三種場(chǎng)景：

1

專用集群場(chǎng)景

FPGA服務(wù)器作為專用服務(wù)器里面插滿了FPGA加速卡，就像是一個(gè)FPGA組成的超級(jí)計(jì)算機(jī)。例如，某公司的實(shí)際應(yīng)用一塊PCIe卡上放了6塊FPGA，每臺(tái)1U服務(wù)器上又插了4 塊PCIe卡。

2

網(wǎng)絡(luò)集群場(chǎng)景

為了保證數(shù)據(jù)中心中服務(wù)器的同構(gòu)性，在每臺(tái)服務(wù)器上插一塊FPGA，F(xiàn)PGA之間通過專用網(wǎng)絡(luò)連接。

3

獨(dú)立節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景

FPGA脫離服務(wù)器，作為獨(dú)立的角色存在于云計(jì)算集群中。把FPGA部署在網(wǎng)卡和交換機(jī)之間。如下圖所示，每個(gè)FPGA有一個(gè)4 GB DDR3-1333 DRAM，通過兩個(gè)PCIe Gen3 x8 接口連接到一個(gè)CPU socket（物理上是PCIe Gen3 x16接口，因?yàn)镕PGA沒有x16的硬核，邏輯上當(dāng)成兩個(gè)x8的用）。物理網(wǎng)卡（NIC）就是普通的40 Gbps網(wǎng)卡，僅用于宿主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)之間的通信。




FPGA（SmartNIC）對(duì)每個(gè)虛擬機(jī)虛擬出一塊網(wǎng)卡，虛擬機(jī)通過SR-IOV直接訪問這塊虛擬網(wǎng)卡。原本在虛擬交換機(jī)里面的數(shù)據(jù)平面功能被移到了FPGA里面，虛擬機(jī)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包均不需要CPU參與，也不需要經(jīng)過物理網(wǎng)卡（NIC）。這樣不僅節(jié)約了CPU資源，還提高了虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)性能，把同數(shù)據(jù)中心虛擬機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)延遲降低了10倍。

FPGA復(fù)用主機(jī)網(wǎng)絡(luò)的初心是加速網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)，更深遠(yuǎn)的影響則是把FPGA之間的網(wǎng)絡(luò)連接擴(kuò)展到了整個(gè)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模，做成真正的cloud-scale 超級(jí)計(jì)算機(jī)。?

審核編輯：劉清