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云端加速的催化剂,Intel FPGA异构方案改变计算格局

【原创】 作者:小熊上海_葡萄

 

【文章简介】
云端加速的催化剂,Intel FPGA异构方案改变计算格局...... ......

显而易见,大数据、物联网和人工智能带来了排山倒海般的恐怖数据,加上不断扩张的云计算,对数据中心计算能力的要求提升到了前所未有的高度,而传统的计算模式已经在汹涌的数据大潮面前越来越力不从心。

道理很简单,传统的CPU已经跟不上机器学习、数据分析和视频处理等各种计算密集型应用的步伐,加上网络和存储方面的瓶颈越来越严重,超大规模云、电子商务和社交网络数据中心面临越来越多的挑战,例如在处理 4K 视频、机器学习和自然语言理解时,这类数据处理需要超密集的并行处理,往往超出了传统CPU的处理能力极限。

在这样的背景下,CPU+FPGA的新型异构计算便应运而生了。

英特尔可编程解决方案事业部 (Intel PSG)FPGA软件解决方案高级总监Bernhard Friebe

2017年9月6日,正值第五届全球云计算大会暨国际网络通信展览会召开之际,英特尔可编程解决方案事业部 (Intel PSG)参与了大会并于同期举办了媒体见面会。FPGA软件解决方案高级总监Bernhard Friebe亲自出席,就英特尔X86 CPU+FPGA的异构集成方案为云端工作负载所提供的卓越计算性能进行了详细阐述。

云端加速,X86 CPU+FPGA的特性和优势

Bernhard Friebe首先谈到了云计算和数据中心发展的新趋势。他以自动驾驶举例,2020年预计自动驾驶的汽车能够产生每年4GB的数据,高峰时甚至可以达到1TB。企业如果要有效利用这些数据,就要把数据转化成信息,再把数据转化成洞察,这对于数据中心的云架构来说是非常大的挑战。

所以,基础架构就需要越来越多地开始向异构计算去转型,而FPGA就是这样一个工具,它能够很好地满足企业对于网络,存储,计算方面的动态需求。

接下来,Bernhard Friebe重点阐述了FPGA的概念和作用。他提到,FPGA的全称是现场可编程门阵列,它以并行运算为主,以硬件描述语言来实现。当加载FPGA模块的时候,它本身没有预定义的功能,而通过对它进行编程,就可以实现任意次数的调整和变化,因此它是一个非常灵活的概念。当数据中心出现了新的工作负载要求和来自云端的新需求,就可以实时地根据需求去定制FPGA模块。

因为FPGA的可编程特性,能针对任何新型应用和算法进行硬件优化,因而FPGA可以成为高度灵活的云计算环境的完美补充。利用动态可重配置技术,FPGA能在一秒之内快速切换成不同的设计方案,面对下一个工作负载进行硬件优化。因此, FPGA 能为复杂多变的超大规模数据中心应用提供灵活性、应用广度和能效,这些是传统 CPU 和定制 ASIC 所无法企及的。

另外,FPGA的灵活性不仅体现在核心部分,也包括周边的I/O部分,它可以和CPU进行协作,来打造旁路加速的功能。也就是说,CPU可以把大量的数据一次性地通过PE的方式发送给FPGA,由FPGA处理完之后再发回给CPU。比如微软的Brainwave项目,就是直接把数据输入到FPGA里面进行加速,然后实现了低延迟的响应。

加倍提升性能和效率,Intel FPGA应用案例

Bernhard Friebe介绍了几个Intel FPGA项目的典型应用案例以及给客户带来的价值。

首先是Swarm64公司,该公司的产品是一种简单的一站式服务。在应用了Intel FPGA项目之后,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省下高达40%的成本。

接下来是英特尔在基因测序领域的合作伙伴——Broad研究所。基因测序会产生海量的数据,而英特尔跟这个研究所一起配合开发出了基因分析的工具包和Pair-HMM算法,并专门制定了FPGA。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则是和英特尔合作过的老客户,该公司主要从事加速存储以及NVMe业务,也就是非易失性的快速存储,愿景是希望根本性地改变云或者是数据中心的基础设施。通过英特尔FPGA Fabric,Attala系统开发主机NVMe适配器的读取/写入性能大大提升,延迟比传统的存储系统要低57%-72%,这已经是相当了不起的一个成绩。

加速堆栈和开源助力开发者更加易用FPGA

第三个阶段,Bernhard Friebe从技术上讲述了怎样在云端利用FPGA的高速性能。

他强调,英特尔FPGA架构可以在混合云中加速工作负载,可实现第三方开发者、内部开发人员 (企业,云服务商)以及应用用户在公有云和私有云之间进行无缝软件迁移。英特尔还与开放数据中心委员会(ODCC)保持悠久合作关系。从它成立之初就担任了委员会的技术顾问,在最新的Scorpio3.0版本里已经把FPGA纳入进来,英特尔一直致力于这方面的开源标准工作。

为了让FPGA能够更加容易地被应用开发者使用,让其更容易地嵌入到数据中心和云的环境当中,英特尔作出了众多针对性的安排,比如刚刚宣布了面向Intel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。

英特尔还创建了一个包含OPAE(开放可编程的加速引擎)在内的加速环境,包括一系列相关的驱动和库等等,这些都是开源和可以随时访问的。

FPGA异构方案将是未来不可逆转的计算趋势

发布会的最后,Bernhard Friebe总结到,未来会有大量数据的融入,数据中心和云都会面临巨大的变化,数据中心会变成一个异构性的加速性的环境。英特尔前瞻性地预见到云端计算的行业趋势,并在计算、存储和网络基础设施方面创新性地使用FPGA架构进行加速,英特尔的解决方案可以大大优化工作负载性能,提高能源效率和降低总体拥有成本(TCO)。

Bernhard Friebe充满自信地表示,英特尔X86 CPU+FPGA的异构集成方案拥有非常显著的优势和通用性,能够充分满足新出现的动态需求,既兼顾了硬件的性能,又带来了软件的可编程性。未来,这一异构方案会为通信、商业、交通和医疗健康等领域的各种应用带来更大的发展。

2017年09月11日 于上海

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