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數(shù)據(jù)中心加速芯片需求大爆發(fā),F(xiàn)PGA正領(lǐng)跑市場

發(fā)布時(shí)間:2023-01-16 來源:Mouser 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】中國信通院《數(shù)據(jù)中心白皮書2022》報(bào)告顯示,2021年全球數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模超過679億美元,較2020年增長9.8%。隨著數(shù)據(jù)視頻化趨勢加強(qiáng),以及遠(yuǎn)程辦公普及程度提高,數(shù)據(jù)中心市場呈現(xiàn)出穩(wěn)健增長的趨勢。但這也帶來聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的爆炸式增長,對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理能力提出巨大挑戰(zhàn)。各種加速方案因而成為數(shù)據(jù)中心不可或缺的應(yīng)用。


數(shù)據(jù)中心加速解決方案


中國信通院《數(shù)據(jù)中心白皮書2022》報(bào)告顯示,2021年全球數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模超過679億美元,較2020年增長9.8%。隨著數(shù)據(jù)視頻化趨勢加強(qiáng),以及遠(yuǎn)程辦公普及程度提高,數(shù)據(jù)中心市場呈現(xiàn)出穩(wěn)健增長的趨勢。但這也帶來聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的爆炸式增長,對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理能力提出巨大挑戰(zhàn)。各種加速方案因而成為數(shù)據(jù)中心不可或缺的應(yīng)用。


在數(shù)據(jù)中心里,加速芯片主要應(yīng)用于三個(gè)方面:計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)。其中,傳統(tǒng)的GPU芯片,以及新興的DPU、APU等加速芯片能夠解決一部分需求,剩下很大一部分加速需求都是基于FPGA來解決。


根據(jù)Semico Research在2019年提出的預(yù)測,2018年-2023年全球數(shù)據(jù)中心加速卡市場規(guī)模將從28.4億美元增長至211.9億美元,年復(fù)合增長率高達(dá)49.47%,F(xiàn)PGA是其中增速最快的細(xì)分產(chǎn)品,需求主要來自企業(yè)級工作負(fù)載加速應(yīng)用。


本文我們就來具體看一下,為什么FPGA能夠在數(shù)據(jù)中心加速領(lǐng)域領(lǐng)跑?具體的優(yōu)勢有哪些?并為大家推薦貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的可用于數(shù)據(jù)中心加速的FPGA產(chǎn)品。


為何FPGA適合數(shù)據(jù)中心加速


在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心部署方案中,計(jì)算和數(shù)據(jù)處理都是由CPU完成,存儲和網(wǎng)絡(luò)資源也是圍繞CPU進(jìn)行部署。然而,由于人工智能和物聯(lián)網(wǎng)市場的爆發(fā),云端數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長,CPU便成為系統(tǒng)規(guī)模和效率提升的瓶頸,GPU、FPGA、ASIC等高性能芯片開始涌入數(shù)據(jù)中心市場,其中FPGA的典型產(chǎn)品形態(tài)就是加速卡。


不過,對于FPGA產(chǎn)品而言,數(shù)據(jù)中心算是一個(gè)比較新的應(yīng)用領(lǐng)域。比如,已經(jīng)被AMD收購的賽靈思在2018年伊始才正式宣布“數(shù)據(jù)中心優(yōu)先”的發(fā)展戰(zhàn)略。但是,憑借著高吞吐和低延遲的天然優(yōu)勢,再加上部署靈活,F(xiàn)PGA在數(shù)據(jù)中心一經(jīng)采用便迅速成為主流加速方案。


在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用里,F(xiàn)PGA能夠全面減輕CPU的任務(wù)負(fù)擔(dān),包括計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的模型是基于CPU集群構(gòu)建,寶貴的CPU內(nèi)核被消耗殆盡,圍繞CPU配備的網(wǎng)絡(luò)接口控制器(NIC)等初步緩解資源也無法解決根本問題。基于FPGA的異構(gòu)計(jì)算體系此時(shí)開始顯現(xiàn)出優(yōu)勢,根據(jù)微軟Catapult項(xiàng)目公布的數(shù)據(jù),通過FPGA對應(yīng)用于必應(yīng)搜索引擎文件排名運(yùn)算的服務(wù)器做加速,獲得了95%的吞吐量提升,處理必應(yīng)的自定義算法速度提高了40倍,加速效果顯著。


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圖1:FPGA加速必應(yīng)的搜索排序過程

(圖源:微軟技術(shù)白皮書)


剖析微軟Catapult項(xiàng)目能夠發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)中心的硬件加速器需要滿足幾個(gè)條件:


一、需要具備靈活性和可擴(kuò)展性,以云計(jì)算為主要服務(wù)方式的數(shù)據(jù)中心,其需要處理的任務(wù)是不固定的,面向不同的任務(wù),加速器要全部能夠自如地應(yīng)對;


二、需要具備硬件資源虛擬化的能力,以完成和現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的同構(gòu)并行,而不需要對現(xiàn)有架構(gòu)進(jìn)行大刀闊斧的修改;


三、需要具備分析推理的能力,提升較大應(yīng)用模型部署的容錯(cuò)率。


方案商在評估各種硬件加速器之后發(fā)現(xiàn),F(xiàn)PGA相較于其他硬件,可以提供更高的性能,更好的實(shí)時(shí)性,以及足夠的靈活性,可以根據(jù)未來算法與需求變更及時(shí)做調(diào)整。并且,F(xiàn)PGA虛擬化的軟件架構(gòu)和接口資源大幅提升了和現(xiàn)有運(yùn)算體系的同構(gòu)屬性,在方案升級時(shí)具備明顯的成本優(yōu)勢。


我們再看一個(gè)具有代表性的例子——亞馬遜AWS F1,基于FPGA對公有云進(jìn)行加速服務(wù)。AWS F1實(shí)例進(jìn)一步優(yōu)化了FPGA在云服務(wù)加速方面的軟硬件功能,主要原因是公有云的用戶并不像私有云用戶一樣,具備強(qiáng)大的技術(shù)研發(fā)實(shí)力,并能夠得到FPGA廠商的一定支持。因此,在AWS F1項(xiàng)目里,亞馬遜將底層FPGA的邏輯資源抽象化,使得用戶不需要去擔(dān)心接口資源和IP部署等細(xì)節(jié)問題,同時(shí)以完整的FPGA開發(fā)配套工具幫助用戶實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用方案的加速。


亞馬遜AWS F1更好地體現(xiàn)了FPGA的高度定制化,這其實(shí)也是FPGA的天然優(yōu)勢,這種可編輯的特性也就是上面提到的靈活性,單個(gè)FPGA可以根據(jù)各種不用的應(yīng)用重新配置,無需將特定的硬件變成ASIC,用戶可以在機(jī)器學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)、安全等各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)使用FPGA。


除了國際廠商,在中國云服務(wù)市場,F(xiàn)PGA也廣受歡迎。目前,阿里云、騰訊云、百度云等國內(nèi)云服務(wù)公司都已經(jīng)在硬件加速方面選用FPGA。比如,我們看到騰訊于2017年就曾推出國內(nèi)首款高性能異構(gòu)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施FPGA云服務(wù)器,這款采用異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的云服務(wù)器相較于傳統(tǒng)CPU服務(wù)器,性能提升在30倍以上。和亞馬遜的理念類似,通過這種FPGA云服務(wù)器,騰訊將只有大公司才能夠長期部署的FPGA帶入到大眾市場。目前,在騰訊云的硬件基礎(chǔ)設(shè)施里,F(xiàn)PGA已經(jīng)在計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲三大重要節(jié)點(diǎn)充當(dāng)加速器角色。


主流云服務(wù)大廠對FPGA的支持使得FPGA在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場快速崛起。


根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù),2020年中國應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的FPGA芯片市場規(guī)模約 16.1億元,占中國FPGA芯片市場份額的10.7%,預(yù)計(jì)2021年-2025年的年均復(fù)合增速將達(dá)到16.6%。能夠看到,隨著FPGA的加速性能在數(shù)據(jù)中心獲得認(rèn)可,未來該領(lǐng)域的市場增速非??臁?/p>


當(dāng)然,必須要說明的是,在數(shù)據(jù)中心市場,F(xiàn)PGA以及其他所有硬件加速器都不是CPU的“革命者”,而是協(xié)作者。未來隨著數(shù)據(jù)中心計(jì)算體量和復(fù)雜度提升,CPU的精力會越來越多集中在復(fù)雜任務(wù)的調(diào)度和處理上,重復(fù)性和局部性的任務(wù)將更大規(guī)模地從CPU上轉(zhuǎn)移。而FPGA憑借上述提到的可編程、高吞吐、低延遲的特性,將承擔(dān)更多的加速任務(wù),為機(jī)器學(xué)習(xí)等典型的人工智能應(yīng)用賦能。


與FPGA靈活性類似的是,貿(mào)澤電子也為工程師提供了靈活多樣的檢索與支付方式,幫助工程師更快地購置好產(chǎn)品開發(fā)所需的元器件,從而提升研發(fā)效率。接下來,我們?yōu)榇蠹彝扑]幾款貿(mào)澤電子平臺在售的FPGA產(chǎn)品,它們都是硬件加速方面的好手。


業(yè)界首款FPGA加速卡支持軟件定義硬件


在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域,F(xiàn)PGA加速卡是一種典型的產(chǎn)品形態(tài),實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的系統(tǒng)集成。和傳統(tǒng)的FPGA開發(fā)板不同,F(xiàn)PGA加速卡是更加完整的系統(tǒng)級方案。我們?yōu)榇蠹規(guī)淼牡谝豢町a(chǎn)品就是來自制造商AMD的Alveo? SN1000 SmartNIC加速卡,貿(mào)澤電子官網(wǎng)上,該器件的料號為A-SN1022-P4E-PQ。


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圖2:SN1022-P4E-PQ

(圖源:貿(mào)澤電子)


Alveo? SN1000 SmartNIC加速度卡是一款提供軟件定義硬件加速的SmartNIC,在單一解決方案中集成有網(wǎng)絡(luò)連接、計(jì)算和存儲加速功能,實(shí)現(xiàn)面向數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的任務(wù)負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移。并且,由于FPGA的可編程特性,這款加速卡支持各種廣泛的定制卸載,包括支持客戶構(gòu)建和第三方卸載。


Alveo? SN1000加速卡提供的硬件資源包括:


●   PCIe Gen 4 x8或Gen 3 x16

●   100G QSFP28 DA銅纜或光纖收發(fā)器

●   基于XCU26(XCU26-L2VSVA1365E)FPGA,采用Xilinx 16nm UltraScale+架構(gòu)

●   板載CPU:16個(gè)64位Arm Cortex-A72內(nèi)核,頻率為2.0GHz,具有8MB緩存

●   1個(gè)4GB x 72 DDR4-2666(處理器)

●   2個(gè)4GB x 72 DDR4-2666(FPGA)

●   總智能卡負(fù)載:75W

●   70W熱設(shè)計(jì)功耗(TDP)

●   被動散熱


在可編程方面,Alveo? SN1000加速卡支持全面協(xié)議級卸載加速定制、專用數(shù)據(jù)路徑以及便捷的P4高級語言編程,并提供P4工具套件Vitis Networks,可讓客戶自定義卸載和調(diào)整現(xiàn)有卸載,以處理新協(xié)議和應(yīng)用,而無需更換硬件。這些定制性的硬件加速包括:開放式vSwitch和虛擬化加速(Virtio.net)的網(wǎng)絡(luò)加速;IPsec、kTLS和SSL/TLS安全加速;Virtio.blk、基于TCP的NVMe?、Ceph、壓縮和加密服務(wù)類型的存儲加速。通過這些加速功能,Alveo? SN1000加速卡幫助數(shù)據(jù)中心更好地應(yīng)對機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析、視頻轉(zhuǎn)碼、視頻和圖像處理、基因組學(xué)、安全、金融計(jì)算等方面的加速需求。


高性能和高效率的Alveo? U50加速卡


第二款推薦產(chǎn)品同樣是一款來自AMD的FPGA加速卡——Alveo? U50加速卡,貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為A-U50-P00G-LV-G。


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圖3:A-U50-P00G-LV-G

(圖源:貿(mào)澤電子)


Alveo? U50數(shù)據(jù)中心加速器卡基于UltraScale+? 架構(gòu)打造,率先使用半高半長的外形尺寸和低于75W的低包絡(luò)功耗。該加速卡的產(chǎn)品規(guī)格如下:


●   UltraScale+架構(gòu)

●   半高、半長、單插槽薄型外形尺寸

●   查找表數(shù)量:872,000

●   HBM2內(nèi)存:8GB

●   HBM2帶寬:316GB/s1

●   網(wǎng)絡(luò)接口:1個(gè)QSFP28(100GbE)

●   時(shí)鐘精度:IEEE 1588

●   PCI express:PCIe Gen3 x 16、雙PCIe;Gen4 x 8、CCIX

●   被動散熱解決方案

●   功耗(TDP):75W


Alveo? U50加速卡擁有三大典型的產(chǎn)品優(yōu)勢:


●   首先是高性能和高效率,8GB HBM2、100GbE網(wǎng)絡(luò)和PCI Express 4.0為這款加速卡帶來了高速度,并通過支持4x10GbE、4x 25GbE或1x 40GbE、1x 100GbE的100G網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)功能;


●   其次是靈活應(yīng)變,可全面應(yīng)對計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)方面的任務(wù)負(fù)載,隨著工作負(fù)載和算法通過可重新配置的架構(gòu)(與固定架構(gòu)不同)不斷發(fā)展,能夠以更大幅度地提高應(yīng)用性能;


●   最后是方便易用,Alveo? U50加速卡經(jīng)過精心構(gòu)建,可為在云端或本地部署(可互換)的解決方案擴(kuò)展架構(gòu)。


借助這三大典型的產(chǎn)品優(yōu)勢,Alveo? U50加速卡可為金融計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算存儲以及數(shù)據(jù)搜索和分析領(lǐng)域的任務(wù)負(fù)載提供加速支持。


可用于10G至100G網(wǎng)絡(luò)的Virtex?-7 FPGA


隨著流量的不斷激增,各大數(shù)據(jù)中心如何經(jīng)濟(jì)、平滑地提升網(wǎng)絡(luò)帶寬性能,成為產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱門話題,以求在路由、交換、安全等方面實(shí)現(xiàn)全面調(diào)優(yōu)。接下來,我們?yōu)榇蠹彝扑]一款可用于10G至100G網(wǎng)絡(luò)的Virtex?-7 FPGA,同樣是來自制造商AMD,貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為XC7VX485T-1FFG1761C。


Virtex?-7 FPGA是AMD 7系列FPGA中的一個(gè)系列,基于低功耗(HPL)、28nm、高K金屬柵極(HKMG)工藝技術(shù)打造,提供高達(dá)2M邏輯單元,具有出色的功耗性能比架構(gòu)、DSP性能以及I/O帶寬。Virtex?-7 FPGA提供超高端連接帶寬,總串行帶寬高達(dá)2.8TB/s,最多支持96 x 13.1G GT、16 x 28.05G GT、5,335 GMAC、68Mb BRAM、DDR3-1866。


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表1:AMD 7系列FPGA產(chǎn)品參數(shù)表

(圖源:AMD)


Virtex?-7 FPGA適合小尺寸、成本敏感、大容量應(yīng)用,比如100GE線路卡。


幫助數(shù)據(jù)中心應(yīng)對復(fù)雜多變的新場景


隨著數(shù)據(jù)中心里面的數(shù)據(jù)體量越來越大,并且行業(yè)應(yīng)用對于低時(shí)延的要求越來越苛刻,F(xiàn)PGA通過對數(shù)據(jù)中心計(jì)算效能的提升,對通信網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)優(yōu)化,推動了數(shù)據(jù)中心的智能化升級,并幫助其應(yīng)對愈加復(fù)雜的新場景、新AI模型,最終幫助社會各行業(yè)實(shí)現(xiàn)更深層的數(shù)字化運(yùn)營。在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上,無論是FPGA產(chǎn)品還是基于FPGA實(shí)現(xiàn)的加速卡,都有豐富的產(chǎn)品選擇,借助這些高性能器件,開發(fā)人員可以為數(shù)據(jù)中心加速再加速。


來源:Mouser



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