數(shù)據(jù)中心 - 加速解決方案

中國信通院《數(shù)據(jù)中心白皮書2022》報告顯示，2021年全球數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模超過679億美元，較2020年增長9.8%。隨著數(shù)據(jù)視頻化趨勢加強，以及遠程辦公普及程度提高，數(shù)據(jù)中心市場呈現(xiàn)出穩(wěn)健增長的趨勢。但這也帶來聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的爆炸式增長，對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理能力提出巨大挑戰(zhàn)。各種加速方案因而成為數(shù)據(jù)中心不可或缺的應用。

在數(shù)據(jù)中心里，加速芯片主要應用于三個方面：計算、存儲和網(wǎng)絡。其中，傳統(tǒng)的GPU芯片，以及新興的DPU、APU等加速芯片能夠解決一部分需求，剩下很大一部分加速需求都是基于FPGA來解決。

根據(jù)Semico Research在2019年提出的預測，2018年-2023年全球數(shù)據(jù)中心加速卡市場規(guī)模將從28.4億美元增長至211.9億美元，年復合增長率高達49.47%，F(xiàn)PGA是其中增速最快的細分產(chǎn)品，需求主要來自企業(yè)級工作負載加速應用。

本文我們就來具體看一下，為什么FPGA能夠在數(shù)據(jù)中心加速領域領跑？具體的優(yōu)勢有哪些？并為大家推薦貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的可用于數(shù)據(jù)中心加速的FPGA產(chǎn)品。

為何FPGA適合數(shù)據(jù)中心加速

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心部署方案中，計算和數(shù)據(jù)處理都是由CPU完成，存儲和網(wǎng)絡資源也是圍繞CPU進行部署。然而，由于人工智能和物聯(lián)網(wǎng)市場的爆發(fā)，云端數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，CPU便成為系統(tǒng)規(guī)模和效率提升的瓶頸，GPU、FPGA、ASIC等高性能芯片開始涌入數(shù)據(jù)中心市場，其中FPGA的典型產(chǎn)品形態(tài)就是加速卡。

不過，對于FPGA產(chǎn)品而言，數(shù)據(jù)中心算是一個比較新的應用領域。比如，已經(jīng)被AMD收購的賽靈思在2018年伊始才正式宣布“數(shù)據(jù)中心優(yōu)先”的發(fā)展戰(zhàn)略。但是，憑借著高吞吐和低延遲的天然優(yōu)勢，再加上部署靈活，F(xiàn)PGA在數(shù)據(jù)中心一經(jīng)采用便迅速成為主流加速方案。

在數(shù)據(jù)中心應用里，F(xiàn)PGA能夠全面減輕CPU的任務負擔，包括計算、存儲和網(wǎng)絡。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的模型是基于CPU集群構建，寶貴的CPU內(nèi)核被消耗殆盡，圍繞CPU配備的網(wǎng)絡接口控制器（NIC）等初步緩解資源也無法解決根本問題。基于FPGA的異構計算體系此時開始顯現(xiàn)出優(yōu)勢，根據(jù)微軟Catapult項目公布的數(shù)據(jù)，通過FPGA對應用于必應搜索引擎文件排名運算的服務器做加速，獲得了95%的吞吐量提升，處理必應的自定義算法速度提高了40倍，加速效果顯著。

剖析微軟Catapult項目能夠發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心的硬件加速器需要滿足幾個條件：

一、需要具備靈活性和可擴展性，以云計算為主要服務方式的數(shù)據(jù)中心，其需要處理的任務是不固定的，面向不同的任務，加速器要全部能夠自如地應對；

二、需要具備硬件資源虛擬化的能力，以完成和現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的同構并行，而不需要對現(xiàn)有架構進行大刀闊斧的修改；

三、需要具備分析推理的能力，提升較大應用模型部署的容錯率。

方案商在評估各種硬件加速器之后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA相較于其他硬件，可以提供更高的性能，更好的實時性，以及足夠的靈活性，可以根據(jù)未來算法與需求變更及時做調(diào)整。并且，F(xiàn)PGA虛擬化的軟件架構和接口資源大幅提升了和現(xiàn)有運算體系的同構屬性，在方案升級時具備明顯的成本優(yōu)勢。

我們再看一個具有代表性的例子——亞馬遜AWS F1，基于FPGA對公有云進行加速服務。AWS F1實例進一步優(yōu)化了FPGA在云服務加速方面的軟硬件功能，主要原因是公有云的用戶并不像私有云用戶一樣，具備強大的技術研發(fā)實力，并能夠得到FPGA廠商的一定支持。因此，在AWS F1項目里，亞馬遜將底層FPGA的邏輯資源抽象化，使得用戶不需要去擔心接口資源和IP部署等細節(jié)問題，同時以完整的FPGA開發(fā)配套工具幫助用戶實現(xiàn)對應用方案的加速。

亞馬遜AWS F1更好地體現(xiàn)了FPGA的高度定制化，這其實也是FPGA的天然優(yōu)勢，這種可編輯的特性也就是上面提到的靈活性，單個FPGA可以根據(jù)各種不用的應用重新配置，無需將特定的硬件變成ASIC，用戶可以在機器學習、網(wǎng)絡、安全等各個關鍵環(huán)節(jié)使用FPGA。

除了國際廠商，在中國云服務市場，F(xiàn)PGA也廣受歡迎。目前，阿里云、騰訊云、百度云等國內(nèi)云服務公司都已經(jīng)在硬件加速方面選用FPGA。比如，我們看到騰訊于2017年就曾推出國內(nèi)首款高性能異構計算基礎設施FPGA云服務器，這款采用異構計算架構的云服務器相較于傳統(tǒng)CPU服務器，性能提升在30倍以上。和亞馬遜的理念類似，通過這種FPGA云服務器，騰訊將只有大公司才能夠長期部署的FPGA帶入到大眾市場。目前，在騰訊云的硬件基礎設施里，F(xiàn)PGA已經(jīng)在計算、網(wǎng)絡、存儲三大重要節(jié)點充當加速器角色。

主流云服務大廠對FPGA的支持使得FPGA在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場快速崛起。

根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，2020年中國應用于數(shù)據(jù)中心領域的FPGA芯片市場規(guī)模約 16.1億元，占中國FPGA芯片市場份額的10.7%，預計2021年-2025年的年均復合增速將達到16.6%。能夠看到，隨著FPGA的加速性能在數(shù)據(jù)中心獲得認可，未來該領域的市場增速非常快。

當然，必須要說明的是，在數(shù)據(jù)中心市場，F(xiàn)PGA以及其他所有硬件加速器都不是CPU的“革命者”，而是協(xié)作者。未來隨著數(shù)據(jù)中心計算體量和復雜度提升，CPU的精力會越來越多集中在復雜任務的調(diào)度和處理上，重復性和局部性的任務將更大規(guī)模地從CPU上轉移。而FPGA憑借上述提到的可編程、高吞吐、低延遲的特性，將承擔更多的加速任務，為機器學習等典型的人工智能應用賦能。

與FPGA靈活性類似的是，貿(mào)澤電子也為工程師提供了靈活多樣的檢索與支付方式，幫助工程師更快地購置好產(chǎn)品開發(fā)所需的元器件，從而提升研發(fā)效率。接下來，我們?yōu)榇蠹彝扑]幾款貿(mào)澤電子平臺在售的FPGA產(chǎn)品，它們都是硬件加速方面的好手。

業(yè)界首款FPGA加速卡支持軟件定義硬件

在數(shù)據(jù)中心領域，F(xiàn)PGA加速卡是一種典型的產(chǎn)品形態(tài)，實現(xiàn)了基于FPGA的系統(tǒng)集成。和傳統(tǒng)的FPGA開發(fā)板不同，F(xiàn)PGA加速卡是更加完整的系統(tǒng)級方案。

Alveo? SN1000 SmartNIC加速度卡是一款提供軟件定義硬件加速的SmartNIC，在單一解決方案中集成有網(wǎng)絡連接、計算和存儲加速功能，實現(xiàn)面向數(shù)據(jù)中心領域的任務負擔轉移。并且，由于FPGA的可編程特性，這款加速卡支持各種廣泛的定制卸載，包括支持客戶構建和第三方卸載。

Alveo? SN1000加速卡提供的硬件資源包括：

PCIe Gen 4 x8或Gen 3 x16

100G QSFP28 DA銅纜或光纖收發(fā)器

基于XCU26（XCU26-L2VSVA1365E）FPGA，采用Xilinx 16nm UltraScale+架構

板載CPU：16個64位Arm Cortex-A72內(nèi)核，頻率為2.0GHz，具有8MB緩存

1個4GB x 72 DDR4-2666（處理器）

2個4GB x 72 DDR4-2666（FPGA）

總智能卡負載：75W

70W熱設計功耗（TDP）

被動散熱

在可編程方面，Alveo? SN1000加速卡支持全面協(xié)議級卸載加速定制、專用數(shù)據(jù)路徑以及便捷的P4高級語言編程，并提供P4工具套件Vitis Networks，可讓客戶自定義卸載和調(diào)整現(xiàn)有卸載，以處理新協(xié)議和應用，而無需更換硬件。這些定制性的硬件加速包括：開放式vSwitch和虛擬化加速（Virtio.net）的網(wǎng)絡加速；IPsec、kTLS和SSL/TLS安全加速；Virtio.blk、基于TCP的NVMe?、Ceph、壓縮和加密服務類型的存儲加速。通過這些加速功能，Alveo? SN1000加速卡幫助數(shù)據(jù)中心更好地應對機器學習、數(shù)據(jù)分析、視頻轉碼、視頻和圖像處理、基因組學、安全、金融計算等方面的加速需求。

高性能和高效率的Alveo? U50加速卡

Alveo? U50數(shù)據(jù)中心加速器卡基于UltraScale+? 架構打造，率先使用半高半長的外形尺寸和低于75W的低包絡功耗。該加速卡的產(chǎn)品規(guī)格如下：

UltraScale+架構

半高、半長、單插槽薄型外形尺寸

查找表數(shù)量：872,000

HBM2內(nèi)存：8GB

HBM2帶寬：316GB/s1

網(wǎng)絡接口：1個QSFP28（100GbE）

時鐘精度：IEEE 1588

PCI express：PCIe Gen3 x 16、雙PCIe；Gen4 x 8、CCIX

被動散熱解決方案

功耗（TDP）：75W

Alveo? U50加速卡擁有三大典型的產(chǎn)品優(yōu)勢：

首先是高性能和高效率，8GB HBM2、100GbE網(wǎng)絡和PCI Express 4.0為這款加速卡帶來了高速度，并通過支持4x10GbE、4x 25GbE或1x 40GbE、1x 100GbE的100G網(wǎng)絡，實現(xiàn)了低時延網(wǎng)絡功能；

其次是靈活應變，可全面應對計算、存儲和網(wǎng)絡方面的任務負載，隨著工作負載和算法通過可重新配置的架構（與固定架構不同）不斷發(fā)展，能夠以更大幅度地提高應用性能；

最后是方便易用，Alveo? U50加速卡經(jīng)過精心構建，可為在云端或本地部署（可互換）的解決方案擴展架構。

借助這三大典型的產(chǎn)品優(yōu)勢，Alveo? U50加速卡可為金融計算、機器學習、計算存儲以及數(shù)據(jù)搜索和分析領域的任務負載提供加速支持。

可用于10G至100G網(wǎng)絡的Virtex?-7 FPGA

隨著流量的不斷激增，各大數(shù)據(jù)中心如何經(jīng)濟、平滑地提升網(wǎng)絡帶寬性能，成為產(chǎn)業(yè)關注的熱門話題，以求在路由、交換、安全等方面實現(xiàn)全面調(diào)優(yōu)。接下來，我們?yōu)榇蠹彝扑]一款可用于10G至100G網(wǎng)絡的Virtex?-7 FPGA，同樣是來自制造商AMD，貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為XC7VX485T-1FFG1761C。

Virtex?-7 FPGA是AMD 7系列FPGA中的一個系列，基于低功耗（HPL）、28nm、高K金屬柵極（HKMG）工藝技術打造，提供高達2M邏輯單元，具有出色的功耗性能比架構、DSP性能以及I/O帶寬。Virtex?-7 FPGA提供超高端連接帶寬，總串行帶寬高達2.8TB/s，最多支持96 x 13.1G GT、16 x 28.05G GT、5,335 GMAC、68Mb BRAM、DDR3-1866。

表1：AMD 7系列FPGA產(chǎn)品參數(shù)表（圖源：AMD）

Virtex?-7 FPGA適合小尺寸、成本敏感、大容量應用，比如100GE線路卡。

幫助數(shù)據(jù)中心應對復雜多變的新場景

隨著數(shù)據(jù)中心里面的數(shù)據(jù)體量越來越大，并且行業(yè)應用對于低時延的要求越來越苛刻，F(xiàn)PGA通過對數(shù)據(jù)中心計算效能的提升，對通信網(wǎng)絡的持續(xù)優(yōu)化，推動了數(shù)據(jù)中心的智能化升級，并幫助其應對愈加復雜的新場景、新AI模型，最終幫助社會各行業(yè)實現(xiàn)更深層的數(shù)字化運營。在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上，無論是FPGA產(chǎn)品還是基于FPGA實現(xiàn)的加速卡，都有豐富的產(chǎn)品選擇，借助這些高性能器件，開發(fā)人員可以為數(shù)據(jù)中心加速再加速。

審核編輯：郭婷