风水轮流转,从CPU到FPGA,看可编程器件如何加速成就智慧互联

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一年一度的英特尔FPGA技术大会(IFTD)北京站9月19日隆重举行。今年的IFTD以探索“如何加快智能互联世界建设”的主题,于9月至10月在亚太地区的十座城市举行,包括韩国、中国、印度、新加坡和马来西亚。在北京站为期一天的大会上,来自英特尔可编程解决方案事业部的专家介绍了技术领先的FPGA、工具和IP,并分享在人工智能、智慧城市、工业物联网、太阳能、自动驾驶汽车、通信、无人机、数据中心等领域中的最新应用和进展。

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在媒体见面会上,英特尔可编程解决方案事业部副总裁兼客户体验事业部总经理Rina Raman女士以“加快智能互联世界建设”为题,分享了如何通过 FPGA 提升可编程性、安全性以及高性能,促进一个智能互联世界。

Rina Raman女士指出,在如今互联的世界,数据的需求呈现出指数型的增长,据预测,到2020年,将有500亿个终端联网,思科预测到2020年IP的流量会达到2300EB量级每年,如此海量的数据,意味着网络必须要以更快的速度处理这些数据,而数据中心也必须做出更复杂的计算,处理更大的数据集,即使嵌入式终端和设备也要做很多本地计算。除此之外,数据中心还会应对一些更加具有挑战性的工作负载,例如:大数据分析、机器学习等,所有这些都是CPU独自无法应对的,这个时候就需要FPGA。

FPGA帮助六大市场应对挑战

Rina Raman女士指出, 5G无线通讯、雷达和航天、网络、云计算、智慧城市和无人驾驶车辆是英特尔FPGA专注的六大市场,在这些应用领域,FPGA可以帮助我们很好的应对现在和未来的挑战。

例如,在5G无线通信中,未来需要更大的带宽,更复杂的数字信号处理能力,但是现在5G的标准还没有最终确定,所以我们并不知道5G把消费者和物联网终端连接到云以后会出现什么样的应用场景。

在航空领域也面临着一系列的挑战,包括波速形成、机器学习的算法等,传统的解决方法是使用更快的CPU和DSP芯片阵列或者是ASIC专用集成电路来应对,这使得成本、复杂度和功耗都跟着上升。

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在云计算应用中,云的环境中的工作负载会出现动态的变化,甚至这些工作负载的构成也会出现快速的变化。有一些工作负载可能所需要的性能即使CPU在合理的功耗水平之下也是难以实现的,这就需要一些特别的芯片或者是配上一个GPU,专门处理并行的运算,或者是装上网络加速器,处理协议和安全的流量分流。另外,还有视频的解码器或者是配合ASIC,用于搜索的加速和深度学习等。但是,事实上,在服务器上面并没有空间、也没有足够的功率去支持这些额外增加的芯片。

从以上这些应用可以看出,在这六大应用市场中,我们面临着三方面的挑战,一个是处理大量数据的增长,另外我们还要应对快速变化的新技术带来的计算环境的变化,还有就是CPU的功耗考虑。因此,仅仅依靠计算平台同质的扩展,已经不能满足所有这些需求,这意味着我们需要异构计算,需要FPGA。

FPGA在异构计算中发挥重要作用

在异构计算中,FPGA既可以从事旁路加速也可以支持在线路加速两种应用。FPGA对异构计算架构至关重要。Rina Raman女士解释说,你可以把FPGA想象成一种先进的多功能的加速器,一方面能够带来最大的编程的灵活性,支持高度差异化的产品,还可以在现场进行重新配置,虚拟加速任何数字的算法。另外,FPGA支持并行运算,所以,特别适合未来的计算需求,更重要的是FAGA的性能无论从吞吐量还是实施速度以及能耗的角度来看,都要比CPU或者GPU优秀十倍以上。

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另外FPGA可以以更低的时延处理更大的数据,比传统的在硬件产品上跑的基于软件的产品更快。就是因为FPGA有以上这些好处,具有硬件的性能,又具有软件的可编程的能力,所以说FPGA对异构计算的环境和架构至关重要。

英特尔CPU+FPGA方案解决实际计算难题

目前,英特尔CPU+FPGA方案已经在诸如数据库加速、基因测序、存储 NVMe over Fabric等应用中帮助解决实际难题。

Swarm64公司是一家数据库公司,在采用了英特尔CPU+FPGA方案之后,实时数据分析提升了五倍,传统的数据仓储效益达到两倍以上,存储压缩的性能达到三倍以上。根据预测,通过使用FPGA加速,Swarm64能够在三年时间里面节省高达40%的成本。

在Broad研究所,他们将FPGA应用到了基因测序的海量数据处理中,通过英特尔FPGA强大的并行处理能力,Broad研究所把算法的能力提高了50倍,业务流量提高了1.2倍,从而大大加速了分析流程和医药领域创新的过程。

Attala公司主要从事加速存储以及非易失性的快速存储业务。该公司通过将FPGA应用于存储 NVMe over Fabric,延迟降低了57-72%。

英特尔FPGA产品及未来规划

英特尔FPGA已提供一系列产品,可满足多领域的应用需求。Rina Raman女士表示,现在,Stratix 10最新的产品已经开始提供样片,Arria 10的终端系列产品已经在全面生产,Cyclone 10和Max 10产品已经在大量出货。

为了让应用开发者更轻松地引入FPGA加速,英特尔公司刚刚推出了面向英特尔至强 CPU和FPGA 的加速堆栈。它既可以帮助应用开发人员去使用FPGA,同时也能够帮助数据中心和运营者能够很好地去嵌入FPGA进行使用。该加速堆栈最大的优势是为开发者提供了一个统一的界面,使得开发人员可以在不同硬件平台,以及公有云、私有云、混合云之间进行无缝迁移,大大增强了不同平台之间的互动操作性。不管底层的硬件是哪一种,开发者都可以使用自己喜欢的方式去开发。

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Rina Raman女士还透露说,英特尔下一代的FPGA的产品名字叫Falcon Mesa,基于10纳米FinFET制程技术,是第二代使用HyperFlex架构的产品,也是第二代基于EMIB的异构SIP。

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