CPU疲于應對未來大數據運算

　　當下時代的主題究竟是什么?5G通信?人工智能?自動駕駛?還是云計算?或許都是;又或許，都不是。當你看到在這些前端應用市場不斷迸發著激情和靈感時，如何滿足其背后以指數形式增長的數據需求就成了諸多工程師最為頭疼的問題。

　　有數據顯示，到2020年，平均每位互聯網用戶每天將會產生1.5GB數據流量，自動駕駛汽車每天將會產生4TB數據流量，聯網飛機每天將會產生5TB數據流量，智能工廠每天將會產生1PB數據流量，云視頻提供商每天將會生成750PB視頻類的數據流量。在聯網的世界里，數據量將會以指數形式增長。(1PB=1024TB)

　　目前，全世界有80億個終端聯網，到2020年將會有500億個終端聯網，與此同時，未來聯網設備將會需要更寬的帶寬。據思科預測，到2020年，聯網IP流量將會達到2300EB(1EB=1024PB)。這時，數據中心會與終端連接，形成一個良性循環，而物聯網的發展將會加速這一循環，使得網絡將必須在更高的速度上處理更多數據，數據中心也需要做更復雜的計算，處理更大的數據級，嵌入式終端和設備也要做很多本地計算。另外，數據中心還需要應對更多具有挑戰性的負載，例如大數據分析和機器學習，這又將會在整個循環中產生很多數據瓶頸和計算熱點，這些都使得CPU無法單獨應對。

　　如何解決這一難題呢?

　　FPGA：讓我來為計算加點料!!!

圖1 數據中心與終端設備的良性循環

FPGA：時代的推手

　　5G通信、物聯網、云計算、智慧城市、自動駕駛及雷達和航天是當下最火爆的六大應用市場，而由于這些應用都涉及到海量的數據和高速的運算能力，每個市場都在面臨連接數量和計算復雜度的急速增長，單靠CPU已經很難輕松拿下未來這場攻堅戰。而利用FPGA開發系統時，系統設計不會被鎖定，開發周期短，相比專用硬件具有更好的容錯性。因而，可以說FPGA的又一主場即將到來。

　　例如，在當下熱點之一的無人駕駛領域，隨著無人駕駛的不斷發展，對性能將會有更高的要求，而在對算法應用上也將會有很大的不確定性，因而會出現很多計算孤島，每一個孤島會有自己的本身硬件和開發環境，這對制造開發商來說是不可持續的。FPGA在以下兩個領域可以發揮關鍵作用：

　　1)本地計算。例如傳感器融合，深度學習推算這些都是要在汽車上本地實時進行。

　　2)安全可靠的5G連接。把汽車和其他車輛及云端實現連接。

　　在智慧城市領域，同樣，計算孤島也正在出現，包括交通管理系統、照明管理系統、泊車管理系統和安全攝像頭，實際上都是各自為政的，眾多不同的系統由眾多不同的廠家來生產，有不同架構和開發環境，不同的系統之間無法實現數據共享，城市管理者無法實現對城市全面的了解。而CPU+FPGA實際上可以取代一些專有的架構，只需要通過加速幾個關鍵功能就可以提供本地計算、連接和分析能力。另外，也可以將眾多的孤島放到單一的英特爾架構上，加上FPGA的環境及5G網絡，從而降低開發成本和錯誤率，并使系統具備機器學習的能力，以應對未來更加復雜的網絡環境和城市環境。

　　這些應用都很好地說明了FPGA在加速良性循環方面的重要作用。

FPGA才是異構計算的神助手

　　其實FPGA相當于一個具有以下兩方面優點先進的多功能加速器：

　　1) 擁有巨大的編程靈活性，支持高度差異化的產品;

　　2) 可以在現場重新配置，虛擬加速任何數字算法;

　　3) 支持并行運算;

　　4) 吞吐量、實時速度、能耗等性能相比CPU或GPU優異10倍;

　　5) 低時延可以處理更多數據。

　　因此，FPGA是一種兼具硬件性能和軟件可編程能力的產品，對于異構計算來說尤為重要。

　　FPGA在異構計算中具體有兩種加速形式，即旁路加速和內建加速。旁路加速可以將重度計算功能轉移到FPGA上，從而釋放處理器去處理其他功能;而如果時延比較重要，則可以進行內建加速，從而通過FPGA的多功能性帶來更好的網絡存儲和計算的加速。另外，英特爾FPGA產品在包括數據庫加速、基因測序、存儲及云端已經有具體的應用和很好的效果。

圖2 FPGA在異構計算中的兩種加速形式

10nm FPGA帶節奏

　　Altera并入英特爾并成為英特爾PSG事業部，獲得了英特爾領先業界三年的制程技術，帶來更大的容量和更快的速度。最新的STRATIX^?10高端芯片已經有樣片，ARRIA^?10產品已經在全面生產，而CYCLONE^?10和MAX^?10已經可以大量出貨。

圖3 STRATIX^?10/ARRIA^?10/CYCLONE^?10/MAX^?10

　　下一代基于英特爾10nm制程的新FPGA產品——Falcon Mesa，使用英特爾10nm制程及世界最先進的FINFET技術，也是第二代使用HyperFlexTM和基于EMIB異構SIP(EMIB是英特爾的接口規范。)的產品。新產品會支持下一代HBM，轉換速率達112Gbps，還支持PCIe 4x16，從而可以支持16TB的大帶寬。

圖4 英特爾公司可編程解決方案事業部副總裁兼客戶體驗事業部總經理Rina Raman

　　英特爾公司可編程解決方案事業部副總裁兼客戶體驗事業部總經理Rina Raman稱，“這是Altera并入英特爾后第一代使用英特爾10nm制程技術開發出來的產品，我們將繼續推動摩爾定律的實現，為業界帶來領先的性能和能效。”