fpga可以实现什么,FPGA能干啥

　　在互联的世界中，对数据的需求呈指数级增长。据预测，2020年左右，数据的洪流将会汹涌而来。话不多说，看下图。

　　如此大的数据量意味着网络要以更高的速度处理更多的数据，数据中心要进行更复杂的计算，处理更大的数据集。即使是嵌入式终端和设备也要做大量的本地计算。

　　此外，数据中心需要处理一些更具挑战性的工作负载，如大数据分析和机器学习。会有一些瓶颈和计算热点，CPU无法单独应对。这时候就需要FPGA了。

　　9月19日，在英特尔FPGA技术大会结束后的新闻发布会上，英特尔可编程解决方案事业部副总裁兼客户体验事业部总经理Rina Raman女士与我们分享了FPGA是如何解决这些数据问题的。

　　FPGA能干什么？

　　目前FPGA应用最早、转型最大的六大全球市场分别是：G无线通信、雷达与航空航天、网络转型、云计算、智慧城市、无人驾驶汽车。

　　这些市场面临着连接数量快速增加和计算复杂性增加的挑战，而FPGA可以帮助我们很好地应对这些挑战。

　　比如对于5G网络，FPGA可以加快MIMO天线的计算和基带信号的处理和安全，还有其他一些功能可能会制约网络的发展。

　　在航空领域，尤其是雷达处理保密通信时，面临着波速形成、滤波等挑战，更多的是机器学习这样的算法。传统的方法是，我们必须使用更快的CPU和DSP芯片阵列或ASIC专用集成电路来处理它们。但是，通过使用FPGA，我们可以加快数字处理和机器学习的一些任务，使我们的整个架构更简单，开发环境更统一。

　　随着无人驾驶汽车的发展，对性能的需求会很大，再加上算法和努力的不确定性很大。所以我们看到可能存在计算的孤岛，每个孤岛可能都有自己的硬件和开发环境，这对于厂商来说可能是不可持续的。FPGA可以在以下两个领域发挥关键作用：一是本地计算，比如传感器和融合，二是深度学习计算。

　　此外，在智慧城市领域，许多计算孤岛正在现代化过程中涌现，如交通管理系统和照明管理系统、停车管理系统和安全摄像头。其实都是独立的，不能在系统间共享数据。英特尔的CPU加FPGA可以取代这些专有架构，提供一些像本地计算、连接和分析的能力，这些能力只需要加速几个关键功能就可以实现。

　　在云环境下，工作负载会动态变化，甚至这些工作负载的构成也会快速变化。一些工作负载需要的性能即使在合理的功耗水平下也难以实现。这时候服务器卡就需要一些特殊的芯片或者一个GPU来处理并行操作，或者一个网络加速器来处理协议和安全流量分流。还有视频解码器，或者ASIC专用集成电路，用来加速搜索和深度学习。然而实际上服务器上并没有空间，也没有足够的电力来支撑所有这些芯片。因此，一些云服务提供商和数据中心架构师已经开始使用英特尔最先进的FPGA产品，这些产品可以与英特尔至强的CPU很好地连接，并为搜索、计算、加密、数据包处理和机器学习提供硬件加速。

　　FPGA在现实生活中的案例

　　然后，里娜拉曼女士给我们介绍了现实生活中FPGA的很多实际案例。

　　首先是数据库的加速。现在关系数据库几乎无处不在，数据分析变得至关重要。无论是对于电商还是广告，数据分析对每个人来说都是最重要的。Swarm64是英特尔的合作伙伴。它使用我们最新的FPGA来处理大量并行数据，实现了良好的吞吐量、更好的能耗和更高的性能。

　　Swarm64是一个可扩展的数据加速器，是一个无缝插件，可以让一些常用的数据库处理一些高速的大数据。它可以支持任何配置，无论是在云中还是在现场。另外，这也是一个很好的内嵌加速的例子。我们可以在将数据存储到数据库之前对其进行压缩和处理。可以看出，分析能力是以前的5倍，数据仓库能力是以前的2倍，存储压缩能力是以前的3倍。

　　再比如基因测序。可见数据量非常庞大复杂，基本上分析能力跟不上，所以很多研究项目不得不延期。正因如此，英特尔和Broad Institute联合开发了一个名为GATK的工具，这是一个用于基因分析的软件包。Broad Institute开发的，主要用于高通量测序的数据分析。英特尔Broad Institute将其Pair-HMM加速了50倍，整个通道容量提高了2.2倍，帮助实现了DNA测序的重大突破。

　　NVMe代表非易失性存储器的规范。针对的是NVND的闪存和下一代固态存储技术，这也是内部加速的一个例子。数据不是在软件中处理，而是通过FPGA在硬件中处理和加速，然后进入以太网结构。与我们之前的解决方案相比，这种基于FPGA的解决方案可以将读写速度的延迟降低57-72%。

　　下图是英特尔提供的一系列产品。大家可以看到，Stratix 10的最新产品已经有样片，Arria 10的终端产品已经全面量产，Cyclone 10和Max 10已经大量出货。

　　下一代FPGA

　　里拉曼女士告诉21ic记者，下一代FPGA产品名为Falcon Mesa，是基于英特尔10nm工艺的Falcon Mesa新产品。“可以看出，它采用了英特尔的10nm工艺技术，基于全球最先进的FinFET工艺技术。这是我们使用HyperFlex架构的第二代产品，也是基于EMIB的第二代异构SIP。EMIB实际上是Intel接口的规范。新产品也将支持下一代HBM。现在Stratix 10也支持HBM了，可以看出其转换率可以达到112G。另外我们还支持PC/IE和416，也就是说支持的带宽可以达到16TB。”这是Alter并入Intel后开发的第一代产品，采用Intel的10nm制程技术。

　　还记得英特尔收购Alter的消息一度在业界引起轰动。现在整合后，两家公司优势互补，能力更强。比如Stratix 10获得了英特尔三年领先的制程技术，为我们带来了更大的容量和更快的速度。“英特尔的工艺技术是世界上最创新和领先的技术，我们也将其工艺技术用于生产和制造我们的Falcon Mesa。”里拉曼女士说。

　　同时，英特尔还提供了加速堆栈，可以帮助开发者轻松入门。

　　如你所见，英特尔带给我们的能力包括强大的封装能力、工艺技术和光学技术，包括我们可以开发的工具、处理器及其合作伙伴的生态系统。事实上，我们还可以帮助实现硬件和软件编程的统一。

　　在这个过程中，英特尔也面临着三个转变。Rina Raman女士向21icj记者分享：首先，我们可以连接网络处理器和内存，这可以带来最高的性能，FPGA Fabric的最高性能。第二，我们可以通过一些先进的制造技术，先进的冷却技术和异构集成来降低功耗。第三，我们大大提高了传统FPGA设计工具的生产力，让更多的软件开发者能够获取和了解我们的一些相关框架和内容。

　　“我们面临的挑战非常复杂。面对这种复杂性，可能需要不同的解决方案来应对挑战。相信英特尔FPGA可以帮助我们加快计算速度，更好地满足当今和未来的数据需求。”最后，林拉曼女士说。

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