2018年12月19日,英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心落地重慶西永微電子產(chǎn)業(yè)園。戴爾易安信作為英特爾FPGA創(chuàng)新中心服務(wù)器產(chǎn)品的獨(dú)家贊助商,為創(chuàng)新中心提供了搭載FPGA的第14代PowerEdge系列服務(wù)器。戴爾易安信為什么支持英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心?FPGA為什么值得關(guān)注?我們提供一些背景信息,供您解讀。

圖1:英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心盛大揭幕

FPGA技術(shù)優(yōu)勢:高性能、低功耗、靈活性強(qiáng)

隨著深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展,FPGA加速技術(shù)在人工智能、5G、自動(dòng)駕駛和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。FPGA支持差異化定制,是一種極具競爭力的大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、無線通信加速器;FPGA支持底層硬件架構(gòu)重新調(diào)整和軟件自定義,因此可融合最新的行業(yè)創(chuàng)新技術(shù);FPGA具有高效可重復(fù)編程特性,可實(shí)現(xiàn)定制性能、定制功耗、高吞吐量和低批量延遲,滿足用戶各種的規(guī)格要求。

圖2:戴爾易安信全球資深副總裁、大中華區(qū)企業(yè)解決方案總經(jīng)理 曹志平

出席2018 FPGA國際創(chuàng)新峰會(huì)并做主題演講

FPGA具有以下技術(shù)優(yōu)勢:

（1）高性能、低功耗

FPGA是一種高性能、低功耗的可編程芯片?？梢愿鶕?jù)客戶定制,做針對性的算法設(shè)計(jì),在處理海量數(shù)據(jù)的時(shí)候,FPGA相比于CPU和GPU,優(yōu)勢在于:FPGA計(jì)算效率更高,其高并行性的特性往往可以使業(yè)務(wù)性能得到量級(jí)的提升。

它是軟硬件合一的器件,不采用指令和軟件。FPGA編程使用硬件描述語言,硬件描述語言描述的邏輯可以直接被編譯為晶體管電路的組合。所以,FPGA實(shí)際上直接用晶體管電路實(shí)現(xiàn)用戶算法,沒有通過指令系統(tǒng)的翻譯。

（2）靈活性強(qiáng)

FPGA是現(xiàn)場可編程邏輯門陣列,是一堆邏輯門電路的組合,可以編程還可以重復(fù)編程。

FPGA是動(dòng)態(tài)可重配的,在數(shù)據(jù)中心部署之后,可以根據(jù)業(yè)務(wù)形態(tài)來配置不同的邏輯,實(shí)現(xiàn)不同的硬件加速功能。舉例來講,當(dāng)前服務(wù)器上的FPGA板卡部署的是圖片壓縮邏輯,服務(wù)于社交即時(shí)通訊;而此時(shí)廣告實(shí)時(shí)預(yù)估需要擴(kuò)容獲得更多的FPGA計(jì)算資源,通過簡單的FPGA重配流程,FPGA板卡即可以變身成“新”硬件來服務(wù)廣告實(shí)時(shí)預(yù)估,非常適合批量部署。

未來,FPGA將會(huì)成為越來越重要的芯片,CPU與FPGA深度融合的異構(gòu)計(jì)算已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。

圖3:戴爾易安信FPGA解決方案展臺(tái)

CPU+FPGA的異構(gòu)多核計(jì)算創(chuàng)新涉及軟硬件等深層次融合創(chuàng)新,為趕超者提供了新的跑道。同時(shí),CPU+FPGA的異構(gòu)計(jì)算作為新的重要技術(shù)趨勢,在加速了計(jì)算架構(gòu)融合的同時(shí),也給下游整機(jī)系統(tǒng)及軟件開發(fā)帶來了重要的機(jī)遇。

在大數(shù)據(jù)時(shí)代,機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)是人工智能的主要推動(dòng)力。最近幾年大數(shù)據(jù)和計(jì)算力的快速增長使得深度學(xué)習(xí)技術(shù)有了質(zhì)的飛躍,從而在計(jì)算機(jī)視覺、語音識(shí)別、自然語言處理等領(lǐng)域出現(xiàn)了重大突破。

然而,深度學(xué)習(xí)需要大量的并行計(jì)算,對硬件平臺(tái)有極高的要求,傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)是無法滿足的。FPGA具有很高的性能功耗比,而且基于門級(jí)電路設(shè)計(jì)使得FPGA是一個(gè)超低延時(shí)和確定延時(shí)的方案,FPGA的可編程性及動(dòng)態(tài)可重構(gòu)可以適應(yīng)深度學(xué)習(xí)未來算法的變化,IO可編程性可以滿足更多業(yè)務(wù)需求(網(wǎng)絡(luò)加速,邊緣計(jì)算),因此基于FPGA的深度學(xué)習(xí)方案成為未來技術(shù)發(fā)展方向。

FPGA作為未來強(qiáng)大的計(jì)算加速器,不但影響主要企業(yè)的決策和市場趨勢,而且加速企業(yè)中的工作負(fù)載,促進(jìn)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部搜索,提高HPC高性能計(jì)算模擬的地位。

FPGA行業(yè)現(xiàn)狀:未來五年增長近1倍

以物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及人工智能的技術(shù)為代表的新一輪革命方興未艾。在此背景下,中國政府提出了“智能制造”和“‘十三五’科技創(chuàng)新”的發(fā)展戰(zhàn)略,大力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和結(jié)構(gòu)化調(diào)整。面對技術(shù)更新迅速、迭代頻繁的研發(fā)應(yīng)用環(huán)境,FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)正成為越來越重要的芯片,并得到越來越廣泛的應(yīng)用,在泛人工智能、5G、無人駕駛、智能終端和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

近年來全球FPGA市場規(guī)?；驹?0-60億美元左右。根據(jù)研調(diào)機(jī)構(gòu)Global Market Insights的最新報(bào)告顯示,FPGA市場在2015~2022年間將出現(xiàn)8.4%的年復(fù)合增長率,到2022年規(guī)?？赏^99.8億美元。

FPGA主要的應(yīng)用領(lǐng)域介紹如下:

（1）泛人工智能

當(dāng)前的前沿研究方向包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等,自AI誕生以來,理論和技術(shù)日益成熟,應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大,但人工智能目前仍處于早期階段,預(yù)計(jì)未來的主戰(zhàn)場是在推理環(huán)節(jié)。專注于推理環(huán)節(jié)的FPGA必將在AI領(lǐng)域發(fā)揮巨大價(jià)值。FPGA內(nèi)部擁有大量計(jì)算單元,進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算的速度遠(yuǎn)大于CPU;FPGA同時(shí)具有架構(gòu)可優(yōu)化的靈活性,當(dāng)平均性能接近一塊GPU時(shí),功耗遠(yuǎn)小于后者,可大大降低最終用戶的散熱負(fù)擔(dān)。應(yīng)用方面,由于FPGA可編程的特性,使得它能夠靈活地針對應(yīng)用所用的算法修改電路,為軟件與終端應(yīng)用公司提供與其競爭對手不同的解決方案。

（2）5G通信

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)是未來無線網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展方向,是多樣化技術(shù)的融合。其靈活性、多協(xié)議兼容性和智能化,以及對成本和功耗的要求,需要一個(gè)可編程的芯片平臺(tái)去支持,通過隨時(shí)修改芯片上局部功能,實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)所需的靈活性。傳統(tǒng)的ASSP和ASIC不可編程,成本昂貴,無法滿足這些方面的需求。FPGA可編程,性價(jià)比高,使之與5G無線網(wǎng)絡(luò)的靈活性、性價(jià)比和智能化的需求良好契合,新一代FPGA技術(shù)將在5G市場大放異彩。

（3）自動(dòng)駕駛

自動(dòng)駕駛對計(jì)算能力的要求非常高。相對于手機(jī)等移動(dòng)終端的計(jì)算需求,自動(dòng)駕駛大概要超過兩個(gè)數(shù)量級(jí),數(shù)據(jù)生成速度方面超過四個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)時(shí)性方面,自動(dòng)駕駛有非常明確的最低延遲要求。在功耗方面,它需要有很低的能耗,從而提升車輛使用性能。FPGA同時(shí)擁有流水線并行和數(shù)據(jù)并行,而GPU幾乎只有數(shù)據(jù)并行。因此對流式計(jì)算的任務(wù),FPGA比GPU天生有延遲方面的優(yōu)勢。在功耗方面,FPGA比GPU的功耗低,同時(shí)FPGA需要的空間小更加適合在自動(dòng)駕駛的車輛上使用。

（4）數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心計(jì)算加速領(lǐng)域,由于計(jì)算任務(wù)靈活多變、多租戶等應(yīng)用特性,傳統(tǒng)的ASIC大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署,在研發(fā)成本、交付周期等方面已現(xiàn)頹勢。FPGA在此應(yīng)用環(huán)境中只需幾百毫秒,即可完成邏輯功能更新,其靈活性可以大力保護(hù)數(shù)據(jù)中心的投資,并且始終保持?jǐn)?shù)據(jù)中心同構(gòu)性。在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中,FPGA相比GPU的核心優(yōu)勢在于延遲:FPGA同時(shí)擁有流水線并行和數(shù)據(jù)并行兩種方式,而GPU幾乎只有數(shù)據(jù)并行(流水線深度受限)。當(dāng)任務(wù)逐個(gè)而非成批到達(dá)時(shí),流水線并行比數(shù)據(jù)并行可實(shí)現(xiàn)更低延遲?？梢?針對流式計(jì)算的任務(wù),FPGA在延遲方面比GPU具有天生優(yōu)勢,更符合未來數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)需要。

一位AI芯片創(chuàng)業(yè)公司CEO接受采訪舉例說,在深度學(xué)習(xí)中,經(jīng)常需要調(diào)整算法。如果采用ASIC的方式,有可能剛做完傳統(tǒng)算法硬化,過了半年,算法團(tuán)隊(duì)又把算法換了。而采用FPGA的靈活性是可以很好地適應(yīng)這種變化。

奧迪正在使用英特爾FPGA,以期實(shí)現(xiàn)奧迪A8轎車自動(dòng)駕駛,汽車零部件制造商電裝(Denso)已經(jīng)采用英特爾技術(shù)驅(qū)動(dòng)的立體視效系統(tǒng)。越來越多的汽車公司在其車輛上使用FPGA,提供諸如自適應(yīng)巡航控制、防撞和駕駛員輔助等功能。

FPGA還被大量用于大型云數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)人工智能應(yīng)用。例如,微軟已在Brainwave項(xiàng)目是一個(gè)建立在FPGA之上的加速深度學(xué)習(xí)平臺(tái),它采用英特爾Stratix FPGA,通過數(shù)據(jù)的盡快處理和傳輸,在云中提供實(shí)時(shí)人工智能。

Dell EMC正在使用英特爾FPGA芯片,進(jìn)行基因分析和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用驗(yàn)證。

深思考人工智能(iDeepWise Artificial Intelligence)是一家專注于類腦人工智能與深度學(xué)習(xí)核心科技的公司。深思考CEO楊志明在接受智東西采訪時(shí)說,智慧工業(yè)機(jī)器人、智慧通信、智慧醫(yī)療、智慧裝備等領(lǐng)域,都是FPGA以外的其他AI芯片難以介入的應(yīng)用領(lǐng)域。

戴爾易安信PowerEdge服務(wù)器加速數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載

戴爾易安信PowerEdge服務(wù)器是全球X86服務(wù)器的領(lǐng)先品牌。根據(jù)IDC公司全球服務(wù)器市場跟蹤數(shù)據(jù),戴爾易安信始終保持著全球服務(wù)器市場的領(lǐng)先地位。以IDC在12月11日公布的最新數(shù)據(jù)為例,在2018年第三季度,戴爾易安信無論銷售量還是銷售額都名列全球第一。如下表。

戴爾易安信與英特爾的結(jié)合,可以將FPGA技術(shù)的優(yōu)勢帶入各種規(guī)模的數(shù)據(jù)中心,加速處理數(shù)據(jù)中心日益增長的數(shù)據(jù)。

2018年4 月,英特爾宣布其FPGA 已經(jīng)正式應(yīng)用于主流的數(shù)據(jù)中心 OEM 廠商。其中,在全球市場銷量領(lǐng)先的戴爾易安信PowerEdge系列服務(wù)器率先支持英特爾FPGA加速器。

戴爾易安信在PowerEdge R640、R740、R740XD等多個(gè)型號(hào)支持英特爾可編程加速卡(PAC),從而加速數(shù)據(jù)中心的多種核心工作負(fù)載,例如數(shù)據(jù)分析、人工智能等,并通過與英特爾緊密合作,提供面向加速的軟件生態(tài)系統(tǒng)支持。其中,PowerEdge R740和R740XD可支持多達(dá)4路FPGA,PowerEdge R640支持1路FPGA。

2018年5月,戴爾易安信發(fā)布新的第14代戴爾易安信PowerEdge四路服務(wù)器和戴爾易安信ML/DL就緒解決方案,進(jìn)一步加強(qiáng)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)功能。

其中,戴爾易安信新推出兩款的四路服務(wù)器:PowerEdge R940xa和PowerEdge R840。憑借英特爾?至強(qiáng)?可擴(kuò)展處理器(多達(dá)112個(gè)處理核心)和大容量內(nèi)存(多達(dá)6TB內(nèi)存和NVDIMM選件)的卓越性能密度,PowerEdge R940xa和PowerEdge R840服務(wù)器提供了強(qiáng)大的性能。兩款四路服務(wù)器都支持FPGA,在數(shù)據(jù)密集型計(jì)算方面表現(xiàn)卓越。

PowerEdge R940xa服務(wù)器設(shè)計(jì)用于加速關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫,沒有使用云的費(fèi)用和安全風(fēng)險(xiǎn)。它將4個(gè)CPU與4個(gè)圖形處理單元(GPU)以1:1的大比率相結(jié)合,提高了應(yīng)用性能,并且通過直接連接的NVMe驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了低延遲。

PowerEdge R840服務(wù)器專為數(shù)據(jù)庫內(nèi)分析而設(shè)計(jì)。它采用了比市場上其他服務(wù)器產(chǎn)品更多的直連NVMe驅(qū)動(dòng)器,讓數(shù)據(jù)延遲最小化,并通過完全集成的超級(jí)通道互連總線(UPI),加速數(shù)據(jù)傳輸。

戴爾易安信還參加了英特爾AI構(gòu)建者計(jì)劃,這是一個(gè)針對企業(yè)級(jí)技術(shù)合作伙伴的生態(tài)系統(tǒng),旨在開發(fā)基于英特爾人工智能產(chǎn)品的高質(zhì)量解決方案。戴爾易安信跟英特爾通力合作,通過戴爾易安信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和戴爾易安信客戶解決方案中心,幫助客戶評(píng)估其在英特爾?至強(qiáng)?可擴(kuò)展處理器和英特爾?FPGA上的大規(guī)模深度學(xué)習(xí)和高性能計(jì)算工作負(fù)載。

戴爾易安信全球資深副總裁、大中華區(qū)企業(yè)解決方案總經(jīng)理曹志平表示,戴爾易安信獨(dú)家贊助英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心,緣起戴爾跟英特爾緊密的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系,也是出于戴爾“在中國,為中國”戴爾中國4.0+戰(zhàn)略的考慮。

面對數(shù)字化浪潮對各行各業(yè)帶來的顛覆性改變,戴爾科技集團(tuán)作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實(shí)踐者、領(lǐng)導(dǎo)者和前瞻者,將匯聚集團(tuán)的綜合實(shí)力,進(jìn)一步深耕中國市場,持續(xù)履行本土化承諾,以領(lǐng)先的科技力量,豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)為客戶保駕護(hù)航,在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的道路上與客戶一同砥礪前行,成為中國客戶值得信賴的合作伙伴,共贏數(shù)字化未來。英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心,正好跟戴爾的中國戰(zhàn)略方向一致。

在戴爾易安信PowerEdge服務(wù)器上使用FPGA的例子

2018年5月,戴爾易安信推出了一項(xiàng)人工智能挑戰(zhàn)賽,鼓勵(lì)參賽者展示人工智能的實(shí)際應(yīng)用,這對企業(yè)、科研以及社會(huì)都有著革命性的影響。冠軍得主可獲得在戴爾易安信HPC與人工智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室Zenith集群上的20萬個(gè)核心小時(shí),其項(xiàng)目也在2018年超算大會(huì)戴爾易安信展臺(tái)上作為亮點(diǎn)展出,并參與到一系列推廣活動(dòng)當(dāng)中。

最終,佛羅里達(dá)大學(xué)空間、高性能和彈性計(jì)算中心(SHREC)的一支研究團(tuán)隊(duì)被戴爾易安信評(píng)為2018年戴爾易安信人工智能挑戰(zhàn)賽冠軍。

佛羅里達(dá)大學(xué)空間、高性能和彈性計(jì)算中心(SHREC)由30多個(gè)行業(yè)、政府和學(xué)術(shù)合作伙伴組成,共同解決在通過重新配置、可靠的高性能計(jì)算來驅(qū)動(dòng)或改進(jìn)任務(wù)和應(yīng)用上所面臨的科研難題。對于此次人工智能挑戰(zhàn)賽,SHREC團(tuán)隊(duì)開發(fā)并展示了一個(gè)異構(gòu)計(jì)算(HGC)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以支持完整的機(jī)器學(xué)習(xí)工作流,包含數(shù)據(jù)分析以及預(yù)處理、模型訓(xùn)練、部署和推理,并適用于任何利用機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用領(lǐng)域,包括醫(yī)療、商業(yè)、金融、科學(xué)探索等等。

該團(tuán)隊(duì)的學(xué)生代表Chao Jiang博士表示:“為了這次人工智能挑戰(zhàn)賽,我們的團(tuán)隊(duì)利用了CERN OpenLab數(shù)據(jù)集來確定HGC工作流的性能,包括將CPU、GPU和FPGA用于機(jī)器學(xué)習(xí)。研究表明,性能提高了1.45到2.22倍。這些早期的研究成果為我們提供了很大的幫助,我們正計(jì)劃繼續(xù)測試基于更復(fù)雜的3D圖像的技術(shù),例如利用3D U-net技術(shù)進(jìn)行立體分割來幫助提高性能,以及用于加速例子模擬的3D GAN?！?/p>

關(guān)于戴爾易安信

作為戴爾科技集團(tuán)的重要業(yè)務(wù)組成之一,戴爾易安信擁有行業(yè)領(lǐng)先的融合基礎(chǔ)架構(gòu)、服務(wù)器、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù),助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、自動(dòng)化以及數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型,為通過建立混合云、開發(fā)云原生應(yīng)用和大數(shù)據(jù)解決方案實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型提供了值得信賴的基礎(chǔ)。戴爾易安信為遍及180個(gè)國家不同規(guī)模的客戶提供服務(wù)—從全球財(cái)富500強(qiáng)至中小型企業(yè)—并為客戶提供業(yè)界全面的從邊緣計(jì)算到數(shù)據(jù)中心、再到云計(jì)算的創(chuàng)新產(chǎn)品組合。

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