英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧和英特爾 可編程加速卡提供基于 FPGA 的基礎(chǔ)設(shè)施，滿足加速開(kāi)發(fā)概念驗(yàn)證的需求。

概覽

SAP 開(kāi)發(fā)人員希望通過(guò)仔細(xì)研究 FPGA 的應(yīng)用情況，加速運(yùn)行計(jì)算密集型 Re-Pair 壓縮算法，并利用 Docker 容器促進(jìn)云端部署。

在英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧（英特爾 OFS）和英特爾 FPGA 可編程加速卡 （英特爾 FPGA PAC）D5005 的支持下，SAP 利用其 HANA 云的 Docker 容器順利實(shí)現(xiàn)了 Re-Pair 壓縮工作負(fù)載。HANA 云采用的是 SAP 自有的 Garden Linux 操作系統(tǒng) (OS)。

“現(xiàn)在，借助英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧框架和英特爾 FPGA 可編程加速卡 D5005，我們幾分鐘之內(nèi)就能將壓縮算法部署到運(yùn)行在我們 Garden Linux 操作系統(tǒng)上的 Docker 容器中。在英特爾 平臺(tái)加速技術(shù)的支持下，SAP 如今可使開(kāi)發(fā)人員享受到在 HANA 云中對(duì) FPGA 進(jìn)行重新編程的諸多益處。”

— Norman May 博士，

SAP SE HANA 中心（數(shù)據(jù)庫(kù)）架構(gòu)師

執(zhí)行概要

SAP 開(kāi)發(fā)人員希望就基于云的壓縮即服務(wù) (CaaS) 創(chuàng)建概念驗(yàn)證 (PoC)。他們需要利用 FPGA 來(lái)加速運(yùn)行計(jì)算密集型 Re-Pair 壓縮算法，并希望在基于 SAP 自有 Garden Linux 操作系統(tǒng) (OS) 的 SAP HANA 云中使用 Docker 容器。

英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧（英特爾 OFS）能夠利用由英特爾 FPGA 提供支持的英特爾或第三方平臺(tái)，簡(jiǎn)化自定義板卡和工作負(fù)載的開(kāi)發(fā)和部署。SAP 開(kāi)發(fā)人員利用英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧將字符串壓縮工作負(fù)載更快地部署到了英特爾 FPGA 可編程加速卡 D5005 上。此外，他們還可以根據(jù)英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧的部署流程對(duì) Docker 容器加以利用。這是因?yàn)閺?Garden Linux 5.15 版開(kāi)始，所有版本的產(chǎn)品內(nèi)核都包含英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧設(shè)備功能列表 (DFL) 的 FPGA 驅(qū)動(dòng)程序。

借助英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧，SAP 可以有效利用基于英特爾 FPGA 的設(shè)備所提供的工作負(fù)載可移植性、由支持英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧的合作伙伴板卡和工作負(fù)載組成的不斷發(fā)展壯大的生態(tài)系統(tǒng)、裸機(jī)/虛擬化/容器化部署的靈活性，以及上游和開(kāi)源內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序及用戶空間代碼。

背景與挑戰(zhàn)

SAP SE 是一家位于巴登-符騰堡州沃爾多夫鎮(zhèn)的德國(guó)跨國(guó)軟件公司，專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)管理企業(yè)運(yùn)營(yíng)和客戶關(guān)系的企業(yè)用軟件。

SAP HANA 是 SAP SE 開(kāi)發(fā)和上市的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。這款企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器， 能夠根據(jù)上層應(yīng)用的請(qǐng)求利用其列式內(nèi)存存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索，以支持混合事務(wù)/ 分析處理。

SAP HANA 的列數(shù)據(jù)使用字典進(jìn)行編碼，將域值映射為固定大小的值。尤其需要注意的是，字符串字典可能包含大量文本數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需通過(guò)壓縮來(lái)降低內(nèi)存需求。目前可用的壓縮算法有很多種，包括 LZ77、LZR、LZSS、LZMA、ZStandard 等，但這些算法常用于將大量信息壓縮到單個(gè)塊中。如果以這種方式壓縮字典，就必須解壓縮整個(gè)文件才能訪問(wèn)單個(gè)條目，這在時(shí)間、計(jì)算和功耗方面都效率極低。或者，也可以利用上述算法逐個(gè)壓縮字典條目，但由于這些算法沒(méi)有針對(duì)少量數(shù)據(jù)的壓縮進(jìn)行優(yōu)化， 因此同樣很低效。

Re-Pair 這種壓縮算法非常適合像字符串字典這類(lèi)需要隨機(jī)訪問(wèn)壓縮數(shù)據(jù)的應(yīng)用。美中不足的是，Re-Pair 屬于計(jì)算密集型算法且成本高昂。由于其在中央處理器 (CPU) 上實(shí)施壓縮和解壓縮的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此并未在數(shù)據(jù)管理社區(qū)中得到廣泛應(yīng)用。不過(guò)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 的可編程邏輯結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)配置后，可以大規(guī)模并行執(zhí)行算法處理。這意味著像 Re-Pair 這樣的算法藉此能夠以相對(duì)較低的功耗得到快速執(zhí)行。

Garden Linux 是 Debian GNU/Linux 衍生版本，旨在提供小型、可審計(jì)的 Linux 映像，供云服務(wù)提供商 (CSP) 和裸機(jī)部署使用。SAP 有自己的 Garden Linux 發(fā)行版本。

在計(jì)算上下文中，容器是一個(gè)功能齊全且可移植的云或非云計(jì)算環(huán)境。它包括應(yīng)用、任何庫(kù)及其他依賴項(xiàng)。使用容器有利于將應(yīng)用從一臺(tái)服務(wù)器遷移到另一臺(tái)服務(wù)器，這是因?yàn)檫\(yùn)行該應(yīng)用所需的一切都已在容器內(nèi)。當(dāng)前，Docker 是很多云服務(wù)提供商常用的容器類(lèi)型。

面臨的挑戰(zhàn)是，如何利用 SAP HANA 云中的 Docker 容器針對(duì) Re-Pair 壓縮工作負(fù)載部署進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。這其中，SAP HANA 云采用的是 Garden Linux 操作系統(tǒng) (OS) 以及基于高性能 PCI Express (PCIe) 的 FPGA 加速卡。

解決方案

英特爾可編程解決方案事業(yè)部提供多種先進(jìn)的 FPGA 和 SoC FPGA，以及各種基于 PCIe 的高性能 FPGA 加速卡，其中包括基于英特爾 Stratix 10 FPGA 的英特爾 FPGA PAC D5005。

英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧則是上述 FPGA 加速卡的補(bǔ)充。作為一種可擴(kuò)展、可訪問(wèn)源代碼的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施，它能夠解決與設(shè)計(jì)基于 FPGA 的加速平臺(tái)解決方案相關(guān)的挑戰(zhàn)。這些解決方案都部署在基于英特爾 至強(qiáng) 處理器的服務(wù)器上。

英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧的推出，使軟件、硬件和應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員能夠使用標(biāo)準(zhǔn)接口和應(yīng)用編程接口 (API) 來(lái)加速工作負(fù)載開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用。此外，該堆棧還支持對(duì)應(yīng)用進(jìn)行裸機(jī)、虛擬化或容器化部署。

英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧提供的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施可讓用戶專(zhuān)注于自己別具特色的應(yīng)用。在本案例研究中，SAP 開(kāi)發(fā)人員利用提供的基礎(chǔ)設(shè)施將 Re-Pair 壓縮工作負(fù)載快速移植到了選定的基于英特爾 FPGA 的加速器上。按照英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧的部署流程，他們還可利用高級(jí)設(shè)計(jì) (HLD) shim 組件，即一系列能夠?qū)崿F(xiàn)基于高級(jí)設(shè)計(jì)的工作負(fù)載支持的軟硬件組件。

OpenCL 和 oneAPI 屬于高級(jí)設(shè)計(jì)框架，用于跨 CPU、圖形處理器 (GPU)、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、FPGA 和人工智能 (AI) 加速器等不同計(jì)算加速器架構(gòu)的異構(gòu)計(jì)算。SAP 基于云的壓縮即服務(wù) (CaaS) 的初步概念驗(yàn)證 (PoC) 目前利用 OpenCL 來(lái)運(yùn)行，SAP 計(jì)劃在未來(lái)的迭代中采用 oneAPI。

英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧還能賦予不同的操作系統(tǒng)發(fā)行版本更大的靈活性，便于通過(guò)擴(kuò)展為管理和編排框架提供支持。在這種情況下，SAP 開(kāi)發(fā)人員能夠利用 Docker 容器來(lái)部署工作負(fù)載。此外，英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧還提供兩種配置選擇，即扁平化設(shè)計(jì)和支持部分重配置 (PR) 的設(shè)計(jì)，使開(kāi)發(fā)人員能夠充分利用 FPGA 的可重新編程性。部分重配置功能具有高度靈活性，它支持在設(shè)備運(yùn)行時(shí)重新配置部分 FPGA——使整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施保持完整性及運(yùn)行狀態(tài)，藉此在不中斷整個(gè)系統(tǒng)的情況下更改配置。借助英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧，SAP 開(kāi)發(fā)人員能夠在 Docker 容器內(nèi)利用部分重配置功能進(jìn)行概念驗(yàn)證。

通過(guò)利用英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧和英特爾 FPGA 可編程加速卡 D5005 對(duì) Re-Pair 壓縮工作負(fù)載進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，SAP 能夠?qū)⑹走x配置用于采用了支持 Docker 容器運(yùn)行的 Garden Linux 操作系統(tǒng)的云基礎(chǔ)設(shè)施。這是因?yàn)閺?Garden Linux 5.15 版開(kāi)始，所有版本的產(chǎn)品內(nèi)核都包含英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧設(shè)備功能列表 (DFL) 的 FPGA 驅(qū)動(dòng)程序。

本案例研究提供了一個(gè)極好的范例，展現(xiàn)了英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧提供的基礎(chǔ)設(shè)施和靈活性如何使 SAP 能夠運(yùn)用所需的配置并在短時(shí)間內(nèi)移植工作負(fù)載。

結(jié)果

本案例研究展示了 SAP 如何受益于 Docker 容器內(nèi)基于 FPGA 的可重新編程性以及在自己的云中輕松完成部署。

這類(lèi)部署因?yàn)槭褂昧擞⑻貭?開(kāi)放式 FPGA 堆棧參考基礎(chǔ)設(shè)施、源代碼、文檔和英特爾 FPGA 可編程加速卡 D5005 硬件參考平臺(tái)而得以加速。由于 SAP 可在自己的云基礎(chǔ)設(shè)施中部署概念驗(yàn)證，因此能夠盡早制定計(jì)劃在生產(chǎn)中部署 FPGA。另外，英特爾 開(kāi)放式 FPGA 堆棧的靈活性還有助于 SAP 利用 OpenCL 或 oneAPI 遷移到基于英特爾 Stratix 10 FPGA 和英特爾 Agilex FPGA 的其他英特爾或第三方平臺(tái)。

審核編輯 ：李倩