作為全球云計(jì)算領(lǐng)域的頂級(jí)峰會(huì)之一，2017 杭州云棲大會(huì)自然吸引了眾多的行業(yè)參與者。這其中，除了擁有主場地位的阿里巴巴及其下屬諸公司，最具存在感的當(dāng)屬英特爾。作為本次大會(huì)唯一的戰(zhàn)略合作伙伴，英特爾以“以云端創(chuàng)新應(yīng)對復(fù)雜需求”為口號(hào)，在多場論壇中充分介紹了自家在人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等核心領(lǐng)域的諸多技術(shù)優(yōu)勢。

其中，F(xiàn)PGA 技術(shù)作為英特爾反復(fù)強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)，成功地引起了雷鋒網(wǎng)的注意。

進(jìn)軍云端創(chuàng)新，F(xiàn)PGA是英特爾的新武器

FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）從一個(gè)專門領(lǐng)域的技術(shù)名詞回歸到主流技術(shù)發(fā)展的視野，其實(shí)是近兩年的事情；尤其是隨著整個(gè)行業(yè)對相關(guān)數(shù)據(jù)處理速度的要求大幅度提升，F(xiàn)PGA 的重要性被整個(gè)行業(yè)重新認(rèn)識(shí)。

在涉足 FPGA 之前，英特爾在數(shù)據(jù)處理上其實(shí)一直有著自己的優(yōu)勢，它的英特爾?至強(qiáng)?處理器系列一直被眾多云服務(wù)提供商，以及擁有私有云或自有IT基礎(chǔ)設(shè)施的用戶所認(rèn)可和采用。然而隨著數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長，形形色色的數(shù)據(jù)中心必須要承載復(fù)雜計(jì)算，處理更大的數(shù)據(jù)集，如進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等挑戰(zhàn)性工作。這時(shí)候，數(shù)據(jù)中心如果還僅配備通用處理器，將難以兼顧多樣化且日趨復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理需求了。

這時(shí)候，英特爾就把目光轉(zhuǎn)向了 FPGA。

從名稱來看，F(xiàn)PGA 的一大重要技術(shù)特征，就是能在使用過程中對芯片硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新編程，以便適應(yīng)新的任務(wù)，這種靈活的、可定制的特性是現(xiàn)有的CPU 和 GPU 都無法具備的。采用 FPGA 技術(shù)，用戶可以先將芯片進(jìn)行編程，用于機(jī)器學(xué)習(xí)；再將芯片重新編程，以用于邏輯計(jì)算……同一塊芯片可以實(shí)現(xiàn)不同的自定義功能；如此一來，就可以大大提升運(yùn)行特定任務(wù)時(shí)的數(shù)據(jù)處理能力。

根據(jù)報(bào)道，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）開展的一系列研究發(fā)現(xiàn)，基于FPGA的某些應(yīng)用加速相比 CPU/GPU 實(shí)現(xiàn)方案，其在單位功耗上的性能（即能效）可提升 25 倍，而時(shí)延則縮短 50 到 75 倍。FPGA同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)出色的 I/O 集成，比如說 PCIe、DDR4 SDRAM 接口、高速以太網(wǎng)等。此外，在單芯片上實(shí)現(xiàn)高能效的同時(shí)，英特爾還可以利用FPGA在板卡級(jí)別提供較低功耗的系統(tǒng)方案。

更重要的是，基于 FPGA 的加速器，可部署在幾乎所有類型的服務(wù)器中。

于是在 2015 年 6 月，英特爾宣布以167 億美元的價(jià)格收購全球第二大 FPGA 廠商 Altera，這是英特爾成立以來涉及金額最大的一筆收購。當(dāng)時(shí)英特爾高層稱這次收購讓英特爾與 Altera 的產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心內(nèi)能更好地滿足客戶的需求，即兼顧更高的性能和更低的功耗。比如說，Altera的FPGA產(chǎn)品可以與英特爾至強(qiáng)處理器形成高度定制化、整合型的產(chǎn)品。

英特爾讓FPGA技術(shù)煥發(fā)新枝

英特爾完成對 Altera 的收購之后，后者就發(fā)展成了英特爾可編程解決方案事業(yè)部 (Programmable Solution Group)，專注于 5G 無線通訊、雷達(dá)和航天、網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、智慧城市和無人駕駛車輛等領(lǐng)域的 FPGA 業(yè)務(wù)；與此同時(shí)，英特爾也在積極地把處理器方面的先進(jìn)技術(shù)和市場優(yōu)勢引入到Altera的產(chǎn)品中。

在 Altera 原有的高、中、低三條產(chǎn)品線布局的基礎(chǔ)上，英特爾提出為不同客戶需求提供不同類型的異構(gòu)架構(gòu)方案，包括分立的 CPU+FPGA、封裝集成的 CPU+FPGA、以及將CPU和FPGA進(jìn)行管芯集成的方案。

這些方案的異構(gòu)優(yōu)勢明顯，特別是通過集成，不但能夠降低延時(shí)，提高性能和效能，更可以統(tǒng)一CPU和 FPGA 之間的工具流程，為不同的性能需求提供更廣泛的體系結(jié)構(gòu)支持。

收購 Altera 后不久，英特爾首次公開演示了基于英特爾14 納米三柵極制程的 Stratix 10 FPGA 中集成的先進(jìn)收發(fā)器技術(shù)，它可以支持1Gbps-56 Gbps 的數(shù)據(jù)速率；與前代產(chǎn)品相比，它在實(shí)現(xiàn)性能翻番的同時(shí)，還減少了 70% 的能耗。

該產(chǎn)品的一個(gè)亮點(diǎn)，是使用異構(gòu)系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）方法來集成收發(fā)器，收發(fā)器塊和單片 FPGA 內(nèi)核架構(gòu)被英特爾的嵌入式多管芯互聯(lián)橋接技術(shù)連接在一起，構(gòu)成了SiP（System In the Package，封裝內(nèi)系統(tǒng)） FPGA。相對而言，這種FPGA的優(yōu)勢在于利用封裝內(nèi)部互聯(lián)代替了片外通信，使通信帶寬可以提升 10 倍，從而有效解決了傳統(tǒng) FPGA 的瓶頸。

英特爾目前已擁有 Stratix 10、Arria 10 、Cyclone 10、MAX 10等全系列 FPGA產(chǎn)品，并針對各種不同應(yīng)用提供優(yōu)化的成本、功耗和性能組合。

FPGA 助力云計(jì)算加速

除了發(fā)力FPGA技術(shù)本身，英特爾作為服務(wù)器芯片領(lǐng)域的領(lǐng)先廠商，一直都在推動(dòng)FPGA 與 CPU 整合的同時(shí)，積極擴(kuò)展其在云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用。

英特爾可編程解決方案事業(yè)部成立以來，已陸續(xù)推出多款可與英特爾處理器協(xié)作的FPGA芯片產(chǎn)品，包括上文提及的Arria 10，Stratix 10及Cyclone 10系列。其中Arria 10 FPGA已經(jīng)全面量產(chǎn)，并逐步部署在英特爾眾多合作伙伴的系統(tǒng)和解決方案中，為它們帶來數(shù)據(jù)處理速度上的大幅提升。就在本月，英特爾又公布了基于Arria 10 FPGA的英特爾可編程加速卡產(chǎn)品，這必將引發(fā)FPGA加速業(yè)務(wù)的更快速增長。

在利用FPGA加速數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的實(shí)際效果上，我們可以看到一些非常顯著的例子，比如說SWARM64 在使用英特爾的 FPGA 加速技術(shù)后，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析速度可提高 5 倍以上，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)倉儲(chǔ)提高 2 倍以上，存儲(chǔ)壓縮提高 3 倍以上。

而在基因測序中，博德研究所利用英特爾FPGA 的高性能并行處理能力，可以將 Pair-HMM 算法能力提高 50 倍，總業(yè)務(wù)效率提高 1.2倍。此外，Attala System公司也利用英特爾FPGA技術(shù)，將存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問遲延降低了57%-72%。

然而，很多用戶可能會(huì)在看到FPGA帶來的卓越能效的同時(shí)，質(zhì)疑它是否易于使用。傳統(tǒng)的FPGA開發(fā)確實(shí)需要開發(fā)者具備深層次的硬件知識(shí)，這曾使系統(tǒng)和軟件開發(fā)者遇到過不少使用FPGA的困難。而英特爾已通過各種努力大大簡化了開發(fā)流程，其中特別值得一提的，是推出了面向英特爾至強(qiáng)處理器和FPGA的加速堆棧，內(nèi)含驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序接口 (API) 和 FPGA 接口管理器。搭配加速庫和開發(fā)工具，該加速堆棧可節(jié)省開發(fā)人員的時(shí)間，支持在多個(gè)英特爾 FPGA 平臺(tái)中重復(fù)使用代碼，并能在英特爾 FPGA 和英特爾至強(qiáng)處理器之間提供性能優(yōu)化的連接。

為進(jìn)一步簡化 FPGA 在服務(wù)器中的使用，英特爾最新公布的、基于Arria 10 FPGA的英特爾可編程加速卡產(chǎn)品支持內(nèi)嵌和旁路加速，具備 FPGA 加速的強(qiáng)大性能和多功能性，也具有最小尺寸外形、低功耗和被動(dòng)式散熱器，可更為方便地部署在各種服務(wù)器中。

在本次杭州云棲大會(huì)現(xiàn)場，英特爾就使用基于Arria 10 FPGA的英特爾可編程加速卡產(chǎn)品，進(jìn)行了執(zhí)行大量圖像識(shí)別任務(wù)的演示。該任務(wù)在 CPU 單獨(dú)承載的情況下，能達(dá)到100% 的 CPU 占有率，而在英特爾可編程加速卡的輔助下，CPU的占有率穩(wěn)定在40%左右，耗電功率僅為 40 余瓦。

英特爾 FPGA 的未來：釋放更多潛力

除了已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的 Arria 10 FPGA 芯片及其相關(guān)的可編程加速卡，英特爾 FPGA 芯片的高端之作 Startix 10 可編程加速卡，也在本次杭州云棲大會(huì)上亮相。實(shí)際上，在此前舉行的 2017 年高效能芯片大會(huì)上，微軟已宣布選擇英特爾 Stratix 10 FPGA ，作為其新的深度學(xué)習(xí)加速平臺(tái)的關(guān)鍵硬件加速器。

用戶和合作伙伴的認(rèn)可，也在進(jìn)一步激發(fā)英特爾在FPGA 領(lǐng)域的探索步伐。

在上月舉辦的“英特爾精尖制造日”上，英特爾就率先展示了采用自有 10 納米（10nm）FinFET 制程技術(shù)制造的 FPGA 產(chǎn)品（代號(hào)為“Falcon Mesa”），它們未來將被用于滿足數(shù)據(jù)中心、無線 5G、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）、汽車、工業(yè)和軍事/航天應(yīng)用的加速和計(jì)算需求。

Falcon Mesa FPGA 產(chǎn)品家族將支持 112Gbps 串行收發(fā)器鏈路，以及包括 PCI Express Gen4 x16 在內(nèi)的最新外圍設(shè)備互聯(lián)技術(shù)，可面向下一代數(shù)據(jù)中心，提供高達(dá)每通道 16GT/s 的數(shù)據(jù)傳輸率。此外，它還將支持第二代嵌入式多管芯互聯(lián)橋接技術(shù)（EMIB）封裝技術(shù)、下一代高帶寬內(nèi)存（HBM）和第二代 HyperFlex 架構(gòu)等多項(xiàng)尖端技術(shù)。

正如英特爾可編程解決方案事業(yè)部亞太區(qū)副總裁莊秉翰（Hans Chuang）在本次云棲大會(huì)上所言：在人工智能和大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)十億設(shè)備正在時(shí)刻產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)；而無論是在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，還是在云計(jì)算領(lǐng)域，英特爾 FPGA都能扮演重要角色，幫助收集和分析這些海量數(shù)據(jù)，使服務(wù)提供商、數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算和存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠有效地管理這些數(shù)據(jù)，并使網(wǎng)絡(luò)能夠快速向用戶提供、分享大量的數(shù)據(jù)和內(nèi)容。

由此可以想見，在“數(shù)據(jù)將成為核心資源”的未來，海量數(shù)據(jù)將對數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、數(shù)據(jù)終端等諸多層面產(chǎn)生新的挑戰(zhàn)和需求，但毋庸置疑的是，F(xiàn)PGA 的潛力越是在這種情形下，越能得到更為充分的釋放。想來，英特爾的 FPGA 技術(shù)，也必將是隨著數(shù)據(jù)洪流水漲船高、大有可為。

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