探索可編程硬體的新邊界詳解阿里雲FPGA計算平台

最新 09-12

FPGA是一種高規格的集成電路，可通過不斷的配置和拼接，達到無限精度的函數功能。

與 CPU、GPU的固定位寬不同，FPGA能夠做的非常靈活，特別適合一些low-level的操作，可輕鬆實現bit masking、shifting、addition等操作。

為實現並行計算，FPGA 內部包含了查找表（LUTs），寄存器（register），片上存儲（on-chip memory）以及算術運算硬核（比如數字信號處理器塊）。

這些FPGA內部的模塊通過網路連接在一起，通過編程的手段，可以對連接進行配置，從而實現特定的邏輯功能。這種網路連接可重配的特性為 FPGA 提供了高層次可編程的能力。

隨著FPGA的計算力的提升，以及FPGA的硬體可編程的特性得到越來越廣泛的重視，FPGA的應用領域正在從傳統的通信行業向數據中心和雲服務進行拓展，其應用場景越來越豐富，包括人工智慧、基因測序、金融分析、物聯網等，是深度學習板塊中不可或缺的一環。

除了數據位寬的靈活性以外，FPGA硬體板卡具有高度的可定製性，有些板卡可以輕易的集成400G的光口通信能力，並組成高帶寬低時延的互聯的網路，在多計算節點場景下進行高速互聯的應用，FPGA當仁不讓的成為首選。

傳統的FPGA開發，使用的是硬體編程語言RTL，入門門檻比較高，調試模擬複雜，設計人員需要掌握大量的硬體底層開發細節和知識；為了降低這個開發門檻，業界正在向高層綜合語言(HLS)演進，有點像我們CPU變成變成從彙編向C語言的轉換。

其中最令人激動的發展，莫過於OpenCL的語言的引入：OpenCL 對於 FPGA 開發，注入了新鮮的血液，它是一種面向異構系統的編程語言，將 FPGA 最為異構實現的一種可選設備。由 CPU Host 端控制整個程序的執行流程，FPGA Device端則作為異構加速的一種方式，有助於解放CPU，將CPU不擅長的處理方式，下發到FPGA 端處理。

阿里雲的FPGA計算服務FaaS (FPGAas a Service) 是正在構建中阿里雲下一代計算平台與基礎設施中最為重要的一環。

作為計算加速服務之一，FaaS圍繞深度學習預測、視音頻處理、基因測序、金融分析、IoT等熱點行業提供了非常完備的解決方案；阿里雲不僅僅是要在雲上輸出FPGA的加速能力，還要把FPGA的可編程特性充分發揮出來。

在開發過程中，阿里雲遇到了很多前所未有的難題：比如，如何在公共環境下保證用戶間的強隔離、如何保證用戶的數據安全、如何支持遠程調試、怎樣定義用戶的交互介面等……其中最難的部分，就是「上雲」，傳統的異構計算無法構建雲上虛擬化環境，提供的一些方案並不適用。

阿里雲將這些解決方案融合起來，把雲上安全運維的經驗帶到FPGA領域，把FPGA的能力帶到了雲上。

2017年初阿里雲推出了F1實例，搭載英特爾晶元，用戶可以基於公共雲創建特有的硬體加速器，單塊FPGA配有16GB 受 ECC 保護的內存(2 x DDR4)，專用 PCI-Express x8 介面，具有近1518個數字信號處理(DSP)引擎，近115萬個邏輯元素，支持RTL編程和OpenCL開發，針對目前應用廣泛的視頻轉碼、圖像處理、基因預測等場景具有非常高的計算性價比。