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一個(gè)重要的趨勢(shì)

作為加速云數(shù)據(jù)中心的重要組件，FPGA已經(jīng)開(kāi)始了它在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的廣泛使用。除了像微軟、亞馬遜這樣的大型云服務(wù)提供商之外，FPGA也逐漸開(kāi)始進(jìn)入其他類(lèi)型和規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，并在大數(shù)據(jù)處理、AI、網(wǎng)絡(luò)功能加速等領(lǐng)域扮演者重要的角色。

(圖片來(lái)自英特爾)

在這些基于大數(shù)據(jù)浪潮的全新應(yīng)用中，FPGA廠(chǎng)商也在不斷的探索和嘗試新的FPGA推廣方法。他們的最終目的非常簡(jiǎn)單，就是讓更多的用戶(hù)使用自己的FPGA產(chǎn)品。但在這個(gè)過(guò)程中，我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，那就是FPGA廠(chǎng)商正在逐漸的從單純的芯片提供商，轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)級(jí)解決方案提供商。

回首過(guò)去，在傳統(tǒng)的FPGA業(yè)務(wù)模型里，FPGA廠(chǎng)商通常只負(fù)責(zé)賣(mài)給客戶(hù)兩樣?xùn)|西：一個(gè)是FPGA芯片，另外一個(gè)是FPGA的開(kāi)發(fā)工具。兩件東西一旦售出，客戶(hù)開(kāi)發(fā)何種應(yīng)用就與廠(chǎng)商無(wú)關(guān)。雖然廠(chǎng)商也會(huì)提供詳盡的技術(shù)支持，但主要的開(kāi)發(fā)過(guò)程往往還是由客戶(hù)完成。

如今，FPGA廠(chǎng)商更傾向于提供給客戶(hù)一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案。兩大FPGA廠(chǎng)商英特爾和賽靈思目前紛紛推出的各類(lèi)FPGA加速卡，就是這個(gè)趨勢(shì)的典型代表。

總體而言，FPGA廠(chǎng)商在硬件層面已經(jīng)不單單提供芯片級(jí)的產(chǎn)品，而是進(jìn)一步提供板卡級(jí)的產(chǎn)品組合。與開(kāi)發(fā)板不同，FPGA加速卡是針對(duì)特定領(lǐng)域和應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)板卡，通常以PCIe擴(kuò)展卡的方式進(jìn)行部署。板卡上設(shè)計(jì)有豐富的高速I(mǎi)/O接口與存儲(chǔ)資源，但往往不會(huì)配備太多開(kāi)發(fā)板上常見(jiàn)的調(diào)試功能與資源，例如通用I/O等。

在軟件層面，FPGA廠(chǎng)商除了提供傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)套件之外，現(xiàn)在還會(huì)提供與FPGA加速卡配套的驅(qū)動(dòng)、各類(lèi)軟件庫(kù)、編程接口（API），甚至還有下文會(huì)提到的完整的軟件開(kāi)發(fā)棧以及軟硬件參考設(shè)計(jì)。

通過(guò)提供這些完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境，大大簡(jiǎn)化了FPGA的開(kāi)發(fā)難度，使得軟件開(kāi)發(fā)人員也能在短時(shí)間內(nèi)完成算法模型的FPGA實(shí)現(xiàn)。FPGA廠(chǎng)商的主要目的，是在不斷提供原廠(chǎng)軟硬件解決方案的同時(shí)，也在不斷吸收第三方的IP與應(yīng)用，從而構(gòu)建一個(gè)完整的FPGA生態(tài)系統(tǒng)。

同時(shí)我們也注意到，除了FPGA原廠(chǎng)的加速卡方案之外，很多第三方廠(chǎng)家，比如華為、浪潮和Mellanox等，也相繼推出了各自的FPGA加速卡產(chǎn)品。這些第三方加速卡雖然采用的都是英特爾或賽靈思的FPGA芯片，但都針對(duì)各自的細(xì)分領(lǐng)域做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)目標(biāo)應(yīng)用的需要。

在下文中，我將詳細(xì)介紹一下當(dāng)前在市場(chǎng)上主要的FPGA加速卡產(chǎn)品，以及各個(gè)廠(chǎng)商基于加速卡的FPGA生態(tài)系統(tǒng)布局。

英特爾的FPGA加速卡布局

早在2017年10月，英特爾就官宣了旗下的首款FPGA加速卡產(chǎn)品，名為“Programmable Acceleration Card”，簡(jiǎn)稱(chēng)PAC。同時(shí)發(fā)布的，還有與之配套的軟硬件開(kāi)發(fā)框架與加速棧系統(tǒng)。這不僅是英特爾FPGA的首款通用FPGA加速卡產(chǎn)品，也是當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上的首款面向大數(shù)據(jù)、AI、高新能計(jì)算等新興領(lǐng)域的數(shù)據(jù)中心FPGA加速卡，因此PAC的意義非同小可。

（圖片來(lái)自英特爾）

在硬件規(guī)格方面，PAC使用了英特爾的Arria10 GX FPGA，它基于英特爾的20納米工藝制造，擁有115萬(wàn)個(gè)可編程邏輯單元，是當(dāng)時(shí)性能和容量最強(qiáng)大的英特爾FPGA。PAC集成了8GB的DDR4內(nèi)存和128MB閃存，有一個(gè)QSFP+接口，能滿(mǎn)足最高40Gbps的網(wǎng)絡(luò)連接帶寬，同時(shí)有PCIe Gen3 x8接口與主機(jī)CPU互聯(lián)。

（圖片來(lái)自英特爾）

值得注意的是，PAC的板級(jí)功耗約為45W~60W，因此得以采用了被動(dòng)散熱設(shè)計(jì)，從而將板卡的尺寸控制在了半高半長(zhǎng)，方便在各類(lèi)服務(wù)器的部署。

PAC的主要應(yīng)用場(chǎng)景是加速數(shù)據(jù)中心的各類(lèi)應(yīng)用，作為英特爾的原廠(chǎng)產(chǎn)品，PAC在數(shù)據(jù)中心里有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。它天生可以作為英特爾Xeon處理器的硬件加速單元，用于卸載和加速原本在CPU上實(shí)現(xiàn)的各類(lèi)應(yīng)用，從而構(gòu)成英特爾CPU+FPGA的高性能數(shù)據(jù)處理組合。

作為生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的重要組成部分，英特爾還發(fā)布了面向Xeon和FPGA的加速堆棧（Acceleration Stack），見(jiàn)下圖。這個(gè)加速堆棧本質(zhì)上是一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)框架，包含了FPGA板卡的驅(qū)動(dòng)、API、接口管理、軟件庫(kù)與開(kāi)發(fā)工具等，從而為CPU與FPGA的聯(lián)合開(kāi)發(fā)提供了通用的編程接口，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

（圖片來(lái)自英特爾）

為了向軟件開(kāi)發(fā)者進(jìn)一步抽象底層的FPGA硬件資源，英特爾開(kāi)源了名為“開(kāi)放可編程加速引擎（Open Programmable Acceleration Engine - OPAE）”的技術(shù)。OPAE是一個(gè)層次化模型，提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口，以及常見(jiàn)硬件功能的FPGA實(shí)現(xiàn)，比如各類(lèi)寄存器與內(nèi)存分配邏輯等等。同時(shí)，也提供了很多操作系統(tǒng)內(nèi)核空間的FPGA支持，使得開(kāi)發(fā)者可以專(zhuān)注于用戶(hù)空間的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

（圖片來(lái)自英特爾）

PAC發(fā)布一年后，英特爾在2018年10月發(fā)布了另一款基于Statix10 SX FPGA的加速卡。相比前一代產(chǎn)品，這款加速卡在硬件性能上有了質(zhì)的飛越。Stratix10作為英特爾的高端FPGA系列，基于英特爾的14納米工藝制造，并采用了3D系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)，有著更高的集成度。在這款PAC采用的Stratix10 FPGA上，有280萬(wàn)可編程邏輯單元，244Mb片上內(nèi)存以及高達(dá)26Gbps的串行收發(fā)器。

（圖片來(lái)自英特爾）

板上資源方面，這款PAC包含32GB DDR4內(nèi)存、兩個(gè)最高支持100Gbps網(wǎng)絡(luò)帶寬的QSFP28接口，以及PCIe Gen3 x16接口。由于這個(gè)板卡面向更高性能的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，因此在功耗和尺寸方面都有所增加，其中板級(jí)功耗約為225W，尺寸為全高、3/4長(zhǎng)的雙槽設(shè)計(jì)。

（圖片來(lái)自英特爾）

在2019年MWC大會(huì)的第一天，英特爾又推出了一款針對(duì)5G應(yīng)用的FPGA加速卡PAC N3000，見(jiàn)下圖。這款加速卡可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100Gbps的網(wǎng)絡(luò)流量的加速處理，同時(shí)支持9GB DDR4和144MB QDR IV板上內(nèi)存。

（圖片來(lái)自英特爾）

對(duì)于英特爾的FPGA加速卡產(chǎn)品而言，它們最大的優(yōu)勢(shì)之一就是英特爾在數(shù)據(jù)中心處理器領(lǐng)域的核心支配地位。由于英特爾Xeon處理器占據(jù)了數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的x86處理器的絕大部分市場(chǎng)份額，因此無(wú)論何家的FPGA加速卡都必須針對(duì)Xeon處理器做大量的兼容性設(shè)計(jì)和優(yōu)化，而英特爾FPGA在這方面有著先天的血統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。這也使得英特爾成為目前唯一一個(gè)能夠提供全棧式數(shù)據(jù)中心解決方案的公司。

此外，英特爾與各大服務(wù)器制造商保持著良好的合作關(guān)系，因此包括戴爾、HPE、富士通等服務(wù)器制造商會(huì)很自然的在自家的服務(wù)器產(chǎn)品中加入并銷(xiāo)售基于英特爾FPGA的加速卡。然而，這對(duì)于其他FPGA廠(chǎng)商而言就沒(méi)有那么水到渠成，他們往往很難說(shuō)服服務(wù)器廠(chǎng)商或者客戶(hù)在已經(jīng)內(nèi)置了FPGA的服務(wù)器中，再花費(fèi)額外的成本，并冒著兼容性的風(fēng)險(xiǎn)去添加其他的FPGA加速器。

賽靈思的FPGA加速卡布局

賽靈思的FPGA加速卡產(chǎn)品起步相對(duì)較晚。在2018年10月，賽靈思才正式發(fā)布了旗下首款面向數(shù)據(jù)中心應(yīng)用加速的FPGA加速卡產(chǎn)品，名為Alveo。首批推出的Alveo U200和U250板卡均基于賽靈思的16納米UltraScale FPGA器件，分別擁有89.2萬(wàn)和134.1萬(wàn)個(gè)可編程邏輯單元。在FPGA器件方面，這兩款A(yù)lveo卡與英特爾的PAC相比，可以說(shuō)在伯仲之間。

這兩款板卡主要針對(duì)的都是大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，因此板上集成了64GB DDR4內(nèi)存，以及兩個(gè)QSFP28網(wǎng)絡(luò)接口和一個(gè)PCIe Gen3接口。與PAC相比，這兩款板卡的板級(jí)資源要豐富的多。然而，這也導(dǎo)致Alveo板卡的外形尺寸和功耗都比較大。當(dāng)采用主動(dòng)散熱時(shí)，板卡尺寸為全高全長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)功耗為100瓦~110瓦，功耗峰值可達(dá)225W，遠(yuǎn)超過(guò)PAC的45W~60W。

（圖片來(lái)自賽靈思）

在生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)方面， Alveo加速卡將主要基于賽靈思的SDAccel軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。SDAccel是一個(gè)集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它的主要結(jié)構(gòu)層次如下圖所示。

SDAccel最主要的特點(diǎn)之一是包含針對(duì)諸如C/C++和OpenCL等高層次語(yǔ)言的FPGA編譯器、軟件庫(kù)和API等基礎(chǔ)架構(gòu)，以期幫助軟件開(kāi)發(fā)者更快的對(duì)FPGA硬件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這一點(diǎn)，與英特爾的面向Xeon和FPGA的加速堆棧有異曲同工之妙。這也印證了當(dāng)前FPGA軟件系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，就是需要不斷降低FPGA開(kāi)發(fā)的門(mén)檻，通過(guò)盡量多的提供高層次語(yǔ)言的支持，以提高FPGA的開(kāi)發(fā)效率，縮短產(chǎn)品面世時(shí)間。

（圖片來(lái)自賽靈思）

第三方的FPGA加速卡

除了英特爾和賽靈思推出的原廠(chǎng)FPGA加速卡之外，很多第三方廠(chǎng)商也在近年相繼推出了基于FPGA的硬件加速卡產(chǎn)品。其中比較典型的有我國(guó)浪潮、華為等公司推出的加速卡，以及國(guó)外Mellanox公司推出的基于FPGA的智能網(wǎng)卡產(chǎn)品。

浪潮的F10A FPGA加速卡是目前在售的一款FPGA加速卡產(chǎn)品，見(jiàn)下圖。它采用了英特爾Arria10 FPGA，最多包含115萬(wàn)個(gè)片上可編程邏輯單元。加速卡上提供了兩個(gè)SFP+ 10Gbps以太網(wǎng)端口，PCIe Gen3x8接口，以及最高32GB板載DDR內(nèi)存。

（圖片來(lái)自浪潮）

在2018年10月底的賽靈思開(kāi)發(fā)者大會(huì)上，浪潮和華為都發(fā)布了自己的新FPGA加速卡產(chǎn)品，分別叫做浪潮F37X和華為FX系列，如下圖所示。

（圖片來(lái)自浪潮）

（圖片來(lái)自華為）

這兩款加速卡都采用了賽靈思的16納米UltraScale+ FPGA器件。相比賽靈思的原廠(chǎng)Alveo加速卡，這兩款加速卡產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是功耗得到了進(jìn)一步削減，這可能得益于FPGA芯片規(guī)格的提升。例如，浪潮的F37X加速卡的典型功耗只有75瓦左右，而華為的FX系列的中端加速卡的典型功耗最大為75瓦，高端卡為200瓦。

在其他技術(shù)規(guī)格方面，浪潮F37X加速卡使用的FPGA集成了8GB的HBM2片上高速緩存，相比DDR而言，能大幅提高存儲(chǔ)帶寬和訪(fǎng)存效率。相比Alveo，新推出的這兩類(lèi)第三方加速卡都有著更高的片上邏輯單元數(shù)量，足以應(yīng)對(duì)各種新興的數(shù)據(jù)中心計(jì)算與應(yīng)用場(chǎng)景，比如機(jī)器學(xué)習(xí)、視頻編解碼、NFV、圖像與語(yǔ)音識(shí)別等等。

老石在之前的文章《Mellanox為何讓多家巨頭公司趨之若鶩》中介紹過(guò)，Mellanox是一家總部位于以色列的著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商，旗下產(chǎn)品包括網(wǎng)絡(luò)控制芯片、網(wǎng)卡、線(xiàn)纜、交換機(jī)、軟件等等，可以說(shuō)幾乎涵蓋了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的各大門(mén)類(lèi)。Mellanox的基于FPGA的智能網(wǎng)卡產(chǎn)品名為Innova-2 Flex，見(jiàn)下圖。

（圖片來(lái)自Mellanox）

這款智能網(wǎng)卡上包括兩個(gè)主要芯片，一個(gè)是Mellanox的ConnectX-5以太網(wǎng)控制器，另一個(gè)是Xilinx的Kintex UntraScale FPGA。板上包含兩個(gè)25G以太網(wǎng)端口，都與ConnectX-5相連，然后再通過(guò)PCIe Switch連接Host和FPGA。ConnectX-5本身就可以實(shí)現(xiàn)不少硬件加速功能，比如常見(jiàn)的虛擬交換、SRIOV、QoS與流量控制等。因此FPGA在這個(gè)卡上更像是一個(gè)“輔助”的加速單元，主要的設(shè)計(jì)目的是用來(lái)實(shí)現(xiàn)和加速各種CPU上不支持、或性能較低的定制化需求。

結(jié)語(yǔ)

在今天，FPGA廠(chǎng)商已經(jīng)從單純提供FPGA芯片和底層開(kāi)發(fā)工具，逐漸轉(zhuǎn)變成提供基于FPGA加速卡和完整軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的全棧式解決方案。同時(shí)，第三方FPGA加速卡的出現(xiàn)，也極大的豐富了FPGA加速卡產(chǎn)品的可選擇性，以針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的用戶(hù)需求。

這些轉(zhuǎn)變背后的主要?jiǎng)恿?，就是?dāng)前FPGA在諸多領(lǐng)域的廣泛而深入的使用。只要FPGA還能不斷推動(dòng)AI和大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展，這個(gè)趨勢(shì)就會(huì)繼續(xù)前行。