面对云计算，FPGA何去何从？

发表于 2018-3-1 09:14

本帖最后由 lvroubaozi 于 2018-3-1 09:20 编辑

面对云计算，FPGA何去何从？

FPGA，大家已经很熟悉了，近些年得到了广泛的应用和发展，在不同行业和领域都发挥着自己独特的作用。相比于其他各种中央处理器相互竞争、相互取代，FPGA一直都在另一个维度追逐自己的梦想，堪称独行者。因为相比于其他处理器的冯诺依曼架构，FPGA好像是一张白纸，以无形胜有型。但是目前很火的云计算里面FPGA的身影并不多，相比其他处理器，FPGA有什么特点呢？未来FPGA在云计算中应该如何发挥自己的优势呢？我们来分析一下。

首先我们来看一下FPGA有哪些自己的优势。

对于工业用户来说，早年最熟悉的莫过于DSP，不论什么应用，首先想到的解决方案就是DSP，因为其优秀的计算能力。目前高级的DSP已经可以有8核，同时主频都在1GHz以上了，而FPGA的主频离DSP真的是差太多了，但是相比DSP的架构，FPGA的程序架构完全是由用户自己设计的，这样的话，对于很多并行计算的任务，如果用DSP去完成，任然是顺序执行，或者最多也就是8核并行执行，而用FPGA去实现，无论有多少的并行任务，只要FPGA资源够用，全部都可以并行执行，这就大大提升了任务的执行速度，而且提升的量级是DSP永远无法追赶的。而且现在的FPGA内部都集成了很多的浮点DSP计算单元，因此对于高精度浮点运算也完全不惧。

再来看看FPGA和GPU的比较。相比于GPU的计算能力，FPGA确实还是差一些。但是除去这一劣势，与GPU相比的话，FPGA又有一些其他优势，比如说延迟以及功耗。因为对于一些复杂的、多级处理的任务、FPGA的灵活性可以将程序根据需要设计成不同的不流水线、不同的程序结构，不同的处理单元、每个单元的功能都可以不同。另外由于结构差异使得GPU在功耗方面与FPGA无法相比。

以上FPGA的特点ASIC芯片都有，但是ASIC芯片无法做到像FPGA一样根据需要修改程序。云服务器的任务来自不同的客户，任务灵活多变，从这一点是上讲，ASIC就可以被淘汰了。

FPGA相比于其他处理器还有一个重要优势是数据吞吐。对于CPU或者GPU来说，首先需要从网卡或者其他接口接收数据。而我们可以直接从FPGA扩展一个或多个高速网络接口或者其他的高速接口，这样需要处理的数据可以直接到达处理器，无需经过绕路了。

基于以上特点FPGA的很多优势其实正是云计算所需要的，但是基于FPGA以上这些特点，未来FPGA在云计算中可以发挥怎样的作用呢？很多大公司其实在几年前的就已经开始了在这方面的探索，Intel、微软、亚马逊等，国内BAT也已经开始了这方面尝试。

微软把 FPGA 部署在网卡和交换机之间，通过虚拟化技术，FPGA对每个虚拟机虚拟出一块网卡，虚拟机通过 SR-IOV直接访问这块虚拟网卡。通过这种方式将交换机的虚拟功能改由FPGA来承载。

而Intel则是通过收购altera，将altera的FPGA和自己的CPU深度结合，未来Intel的CPU和FPGA将实现高速直接通信，通过这种方式将CPU的任务直接加载给FPGA，从而大大提升数据中心的处理能力。

国内方面，阿里云已经在自己的云服务器中提供了FPGA加速服务，从网站介绍来看，其加速卡采用的是Intel 的A10加速卡方案，目前可以提供OpenCL平台的硬件加速。腾讯云采用的则是Xilinx的FPGA，其FPGA未来会支持C/C++、OpenCL、Verilog/VHDL 等开发语言。这些服务目前都属于内测阶段。百度云的FPGA加速服务推出是最早的，采用的是xilinx的FPGA，目前来看也是发展最完善的，未来应该也会提供Intel的FPGA方案。

当然，既然是在云服务器中的FPGA加速服务，必须涉及到的就是虚拟化，这样才能满足多用户的需求。我们虽然看不到BAT服务器目前在FPGA虚拟化方面的实现如何，但是可以预见虚拟化是必然的一个选择，否则云服务器的规模成本优势将会大打折扣。这样遇到的一个问题就是FPGA虚拟化并不容易实现及使用。试想一下，同一个FPGA内，两个不同的用户在同时使用各自的区域并且互不干扰。这虽然在技术上可以实现，但是BAT服务器目前是否有这些部署，我们还需进一步了解。

除了虚拟化，目前FPGA在云计算中应用有一个很大的挑战就是FPGA的编程难度要比GPU、CPU难很多、而且开发周期长，程序模块化差，当然目前的FPGA可以用很多高级语言去设计比，如HLS、OpenCL等，但其执行效率肯定就要比用Verilog直接开发低不少，这样的话FPGA与GPU相比是否还有功耗优势就不一定了。这样也会影响FPGA加速服务的性能。

有了服务，用在何处是另一个问题，也许BAT也没有特别的想清楚FPGA加速到底用在何处，目前提到的应用也只有深度学习、压缩算法等，还没有什么实际落地的应用。这一探索任务落到了目前很多传统基于FPGA做开发的公司身上，他们已经在BAT服务器中开始测试FPGA加速功能。隔着遥远的网线使用着也许是国外某个深山中的一颗FPGA，意味着做现场控制已经不现实了，这意味着未来的应用来自于FPGA的传统市场比例肯定会比较小，目前来看最快的有可能是某些公司发现之前用GPU实现的功能用FPGA实现更加的划算了，同时研究发现研发投入可以接受，那么可能会转到FPGA加速。

总结，FPGA在云计算中的优势是显而易见的，但是怎样才能找到一种高效、经济的方式将这种优势体现则是更加重要的一个因素。