騰訊雲推出FPGA雲IP市場服務，助力FPGA雲服務落地更多行業

FPGA雲服務，作為雲計算產品中一種新型的行業解決方案，具有性能優越、開發便捷、計費靈活等紅利，加之其具有低延遲，高吞吐等能力，在基因、人工智慧、金融等計算密集型領域得到廣泛使用。2017年1月，騰訊雲推出國內首款高性能異構計算基礎設施，並致力於FPGA整個雲服務生態圈的建設。現階段騰訊雲FPGA雲已經形成「雲+行業」的發展思路，並已經在教育、基因等行業率先鋪開。

傳統FPGA開發，每家公司都有自己的一套硬體介面規範、軟體驅動和上層介面，除此之外設計往往很難跨平台和器件直接使用，對於每次移植均需面臨時間長和難度大等風險。統一標準將是對FPGA產業的一次劃時代的整合和革新。

而在整個FPGA雲「生態系統」裡面，IP如同百貨店裡面的商品，沒有大量的IP應用，自然也很難吸引到人群從瀏覽到購買，到最終的使用和評價。所以如何建立起FPGA IP市場成為整個FPGA雲「生態系統」發展的關鍵。

然而FPGA IP市場建立也將面臨諸多挑戰：

IP安全

FPGA雲服務是一個新的商業模式，其中IP要以下載文件的方式，通過FPGA雲伺服器下載到FPGA板卡上運行，所以IP的下載文件是通過雲伺服器廠商提供給最終用戶。IP提供商因為擔心產權泄露，對雲伺服器廠商有安全上的疑慮，如何解決IP安全問題，成為FPGA IP市場發展的關鍵。

IP移植

FPGA IP運行在FPGA板卡上，由於各家FPGA硬體平台不一樣，導致IP開發商需要重新針對目標平台修改現有的設計。而與軟體移植不同的是，FPGA的設計是精確到時鐘周期，每個時鐘周期不同的模塊並發完成不同的操作。這就會涉及到從上層的系統層到底層的硬體時序的修改，也意味著IP開發商需要花費大量時間和精力在跨硬體平台移植上。

基於此，騰訊雲在FPGA IP市場上帶來了一系列創新舉措。

安全

FPGA雲系統提供源代碼加密保護，用戶下載文件加密保護以及DNA認證等安全手段。

以賽靈思的FPGA為例子，對於用戶源代碼，可以通過賽靈思提供的Vivado編譯工具進行加密，該Vivado編譯工具的加密標準是基於IEEE-1735標準;對於用戶的下載文件，可以用DNA認證進行加密保護。目前騰訊雲上所有的FPGA器件都有Device DNA，這是一個96 bit的二進位序列，在FPGA器件生產的時候燒死到晶元裡面，每個晶元都是唯一的。這個序列，用戶可以通過內部的邏輯直接讀出。用戶利用DNA唯一性，只有授權的DNA序列才能運行用戶IP，從而實現IP的保護(參見圖1)。

圖表 1 FPGA雲安全

開發框架

設計之初，FPGA雲系統需要解決的一個重要問題就是通用性。通用性包括兩層目標。第一，能夠做到FPGA系統架構的通用。第二，能夠做到用戶介面的通用。最終讓用戶的設計「無感知」的運行在不同平台和不同類型的FPGA器件，減少移植的代價。

FPGA雲系統包含兩大區域，即靜態區域和動態區域。靜態區域雖然對於用戶不可見，但是它卻是整個系統架構的關鍵，構建起與上層PC側的軟體和FPGA側動態區用戶IP溝通橋樑，靜態區域主要完成包括PCIe協議控制器、DMA數據傳輸、內存控制器、中斷處理、地址管理模塊和匯流排管理和適配模塊、動態載入模塊和一些系統調試模塊等。動態區域對應的則是用戶的IP，這裡採用業界通用的AXI匯流排進行互聯。如果採用私有的或者不通用的匯流排進行互聯，用戶往往需要對匯流排協議重新進行理解和開發，而且很難做到很好的系統可擴展性。APIs採用統一的外部介面與用戶程序交互，用戶不需要把精力花在驅動集成、調試和封裝等繁瑣細節，只需要專註於高附加值的上層應用和服務開發上(參見圖2)。

圖表 2 FPGA雲開發框架

目前騰訊雲FPGA雲服務市場，已經有恆揚數據、聯捷計算科技、菲數科技等多位合作夥伴加入，通過IP市場方式提供一系列行業解決方案，為用戶提供性價比更高的加速方案，進一步完善FPGA雲服務生態圈(參加圖3)。

圖3 IP市場提供行業解決方案

騰訊雲FPGA雲服務IP市場已在基因、圖片視頻、教育等行業和場景中落地。

基因行業解決方案

基因組測序是一種新型基因檢測技術，它可以從血液或者唾液中分析測定基因全序列，用來預測疾病，個人的行為特徵等等。隨著測序成本不斷降低並逼近數據分析成本，同時隨著近年基因數據量爆髮式增長，數據分析成為瓶頸，而傳統方法計算速度慢，效率低，因此高性能計算勢在必行。

常規的1個人類全基因組(上幾百G數據)即使在一個高端伺服器運算時間也至少需要幾天左右時間，而騰訊推出的「雲+基因」原生態解決方案通過對二代測序流程進行硬體加速來解決生物計算量的性能瓶頸。傳統方法一個全基因組計算純軟體方案需要大約60小時，騰訊「雲+基因」原生態解決方案將時間降到26小時以內。目前該方案已經在基因領域已經落地並成功穩定應用中。

圖片視頻解決方案

我們所知道的圖片壓縮演算法有：JPEG、WEBP、H264(幀內壓縮)、H265(幀內壓縮)。它們對應的壓縮能力大小分別是：JPEG

隨著智能手機的普及，圖片、視頻的產生和分享已經是人們普遍的娛樂方式。而對於互聯網服務商和用戶來說，圖片和視頻的不斷累積，也為帶寬和流量帶來越來越多的負擔和需求消耗。

騰訊FPGA雲通過更高壓縮比的H265(幀內壓縮)方案，使用FPGA對圖片轉碼進行加速，增強圖片轉碼能力，在互聯網圖片處理業務中，儘可能的壓縮圖片，減少圖片存儲和傳輸分發的數據量，既節省用戶帶寬，也可以提高用戶下載圖片的速度，讓互聯網服務商和用戶以更低的投入， 獲得更好的體驗。

某視頻內容提供商，在線業務中需要進行JPEG圖片轉WEBP圖片的轉碼服務，為了滿足處理延時和吞吐的要求，採用了騰訊FPGA雲進行圖片轉碼服務。在騰訊FPGA雲上進行的灰度測試，結果顯示：JPEG圖片轉WEBP圖片，測試圖片大小為1920x1080，FPGA處理延時相比CPU降低3倍，FPGA處理性能是CPU機器的7倍。

教育行業解決方案

傳統FPGA教學和科研長期受制於硬體電路板、開發軟體更新換代很快，陳舊教學環境與實際需求以及企業生產環境脫節，申購流程繁瑣和時間長等難題。從產業發展的角度，由於缺乏統一的硬體平台，FPGA底層重複勞動多，面嚮應用開發的少，硬體開源發展緩慢，FPGA個體教學和科研成果也很難為企業帶來收益，也嚴重影響了FPGA行業的長久發展。

2017年8月3日，在OpenHW Contest and Professor Conference 2017上，騰訊雲攜手依元素科技，與國家電子電工教學示範中心——東南大學電工電子實驗中心合作，落地國內首個基於FPGA雲服務的科研項目。

這是國內首個基於FPGA雲服務的科研項目，也是是國內FPGA雲服務落地具體場景的首個成功案例，同時還是傳統的FPGA從技術平台走向具體行業並成功實踐的一個重要開端。基於騰訊雲提供的FPGA計算服務，東南大學科研人員能夠在一個開源的系統平台進行具有高附加值的教學和研究。同時，騰訊雲還提供一套開放HDK/SDK，縮短使用者開發時間，助力高校FPGA理論研究成果迅速轉化。

騰訊「FPGA雲+教育」，通過不斷豐富和完善FPGA雲+課堂以及線上實驗室等多個主題，最終將FPGA雲產品落地到各大高等院校的課程和科研當中，目前FPGA雲已經成功應用在東南大學數字電路課程中。後續，還將推動在全國範圍內300多所高校的合作，讓FPGA雲服務走進校園和科研實驗室，助力高校在FPGA教學和科研的改革，提升高校人才的整體競爭力。

四、結語

FPGA雲是雲計算2.0時代應運而生的「芯」力量，在人工智慧、基因、大數據等眾多領域擁有廣闊的前景和業界成功的案例，伴隨著近年來雲計算和人工智慧的浪潮，FPGA雲將走進公眾的視野。FPGA雲完善的IP市場生態圈、成熟的雲架構和行業領先的解決方案，將吸引更多雲客戶願意嘗試這種「芯」技術帶來的紅利，鑄造出紮根於行業的成功解決方案。

責編：zhanglinying

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