FPGA(Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，作為ASIC領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)已有30年的歷史了，它既解決了定制電路的無(wú)法改變功能的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)，可應(yīng)用的場(chǎng)景也很廣泛。

就在2017年1月20日，騰訊云推出國(guó)內(nèi)首款高性能異構(gòu)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施——FPGA云服務(wù)，利用云服務(wù)的方式將只有大型公司才能長(zhǎng)期支付使用的FPGA服務(wù)推廣到了更多企業(yè)。企業(yè)可以通過(guò)FPGA云服務(wù)器進(jìn)行FPGA硬件編程，可將性能提升至通用CPU服務(wù)器的30倍以上。同時(shí)，與已經(jīng)深入人心的高性能計(jì)算的代表GPU相比，F(xiàn)PGA具有硬件可編程、低功耗、低延時(shí)的特性，代表了高性能計(jì)算的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

而在人工智能(AI)里面火熱的深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，企業(yè)同樣可以將FPGA用于深度學(xué)習(xí)的檢測(cè)階段，與主要用于訓(xùn)練階段的GPU互為補(bǔ)充，F(xiàn)PGA還可應(yīng)用于金融分析、圖像視頻處理、基因組學(xué)等需要高性能計(jì)算的領(lǐng)域，是這類對(duì)效率要求高的行業(yè)應(yīng)用的最佳選擇。

基于此，InfoQ采訪了由騰訊云基礎(chǔ)產(chǎn)品中心、騰訊架構(gòu)平臺(tái)部組成的騰訊云FPGA聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，向讀者介紹FPGA的基本原理和設(shè)計(jì)初衷，應(yīng)用場(chǎng)景以及它給行業(yè)帶來(lái)的價(jià)值。

騰訊云FPGA的開(kāi)發(fā)歷史及背后的團(tuán)隊(duì)力量

隨著芯片制程逼近理論極限，可以預(yù)見(jiàn)通用處理器(CPU)性能提升空間越來(lái)越有限。而騰訊自己的業(yè)務(wù)隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)體量的急劇膨脹，伴隨著對(duì)這些數(shù)據(jù)的計(jì)算需求也在迅猛上漲。騰訊在2013年開(kāi)始考慮如何解決計(jì)算需求的增長(zhǎng)，而FPGA作為一種可編程的加速硬件彼時(shí)進(jìn)入了大家的視野。有了解決計(jì)算需求的想法后，需要通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證FPGA實(shí)際的能力。

騰訊的QQ、微信業(yè)務(wù)，用戶每天產(chǎn)生的圖片數(shù)量都是數(shù)億級(jí)別，常用的圖片格式有JPEG格式、WebP格式等，WebP圖片格式比JPEG圖片格式存儲(chǔ)空間小30%。為節(jié)省存儲(chǔ)空間，降低傳輸流量，提升用戶的圖片下載體驗(yàn)，通常采用WebP格式進(jìn)行存儲(chǔ)及傳輸分發(fā)，而圖片轉(zhuǎn)碼所帶來(lái)的計(jì)算消耗需要上萬(wàn)臺(tái)CPU機(jī)器支撐。自然FPGA開(kāi)發(fā)落地的第一個(gè)切入點(diǎn)就是圖片轉(zhuǎn)碼：將JPEG圖片格式轉(zhuǎn)成WebP圖片格式。

在圖片轉(zhuǎn)碼的實(shí)踐中，F(xiàn)PGA聯(lián)合團(tuán)隊(duì)取得了FPGA處理延時(shí)相比CPU降低20倍，F(xiàn)PGA處理性能是CPU機(jī)器的6倍，驗(yàn)證了FPGA能進(jìn)行計(jì)算加速的能力，同時(shí)也增強(qiáng)了FPGA聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的自信心。

(圖1)圖片轉(zhuǎn)碼中FPGA和CPU延時(shí)對(duì)比

(圖2)圖片轉(zhuǎn)碼中FPGA和CPU吞吐率對(duì)比

圖片轉(zhuǎn)碼項(xiàng)目完成后，深度學(xué)習(xí)映入了FPGA聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的眼簾，一方面深度學(xué)習(xí)需要密集的計(jì)算，另一方面深度學(xué)習(xí)在未來(lái)應(yīng)用上有著巨大的商業(yè)價(jià)值。深度學(xué)習(xí)基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，用在圖片分類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是其中的一個(gè)分支：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)。團(tuán)隊(duì)使用FPGA對(duì)CNN計(jì)算進(jìn)行加速，增強(qiáng)違規(guī)圖片檢測(cè)能力，最終在深度學(xué)習(xí)的實(shí)踐中取得了FPGA處理性能是CPU機(jī)器4倍的戰(zhàn)績(jī)。

騰訊云FPGA項(xiàng)目實(shí)踐的結(jié)果，見(jiàn)證了FPGA在數(shù)據(jù)中心里可以提供強(qiáng)大的計(jì)算能力和足夠的靈活性，來(lái)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心對(duì)硬件加速的挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)之前的FPGA實(shí)踐，F(xiàn)PGA聯(lián)合團(tuán)隊(duì)獲得了在數(shù)據(jù)中心使用FPGA的經(jīng)驗(yàn)，未來(lái)也將在數(shù)據(jù)中心的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)三個(gè)方向進(jìn)一步探索，重構(gòu)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)。

云端的數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)日新月異，更需要一種高性能、高靈活的底層硬件結(jié)構(gòu)，所以FPGA聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)云端開(kāi)放FPGA計(jì)算服務(wù)，從硬件層面加速云計(jì)算在各個(gè)場(chǎng)景中的應(yīng)用，降低企業(yè)的使用門檻和成本。

FPGA的特點(diǎn)解析

2016年3月，英特爾宣布正式停用“Tick-Tock”處理器研發(fā)模式，未來(lái)研發(fā)周期將從兩年向三年轉(zhuǎn)變。至此，摩爾定律對(duì)英特爾幾近失效。一方面處理器性能再無(wú)法按照摩爾定律進(jìn)行增長(zhǎng)，另一方面數(shù)據(jù)增長(zhǎng)對(duì)計(jì)算性能要求超過(guò)了按“摩爾定律”增長(zhǎng)的速度。

CPU本身無(wú)法滿足高性能計(jì)算應(yīng)用軟件的性能需求，導(dǎo)致需求和性能之間出現(xiàn)了缺口。在新的芯片材料等基礎(chǔ)技術(shù)沒(méi)有取得突破前，一種有效的解決方法就是采用專用協(xié)處理器的異構(gòu)計(jì)算方式來(lái)提升處理性能。現(xiàn)有的協(xié)處理器主要有FPGA，GPU和ASIC，F(xiàn)PGA由于其獨(dú)特的架構(gòu)擁有其他處理器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

FPGA(Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，可以通過(guò)軟件重新配置芯片內(nèi)部的資源形成不同功能硬件，就像用樂(lè)高積木可以搭出航空母艦或變形金剛一樣。因此，F(xiàn)PGA不僅有了軟件的可編程性和靈活性，同時(shí)又有ASIC高吞吐和低延時(shí)的特性。而且，由于有豐富的IO，F(xiàn)PGA還非常適合用作協(xié)議和接口轉(zhuǎn)換的芯片。

FPGA在數(shù)據(jù)中心最大的特點(diǎn)就在高吞吐的同時(shí)能做到低延時(shí)。FPGA內(nèi)部的資源都是可以重配置的，因此它可以很容易進(jìn)行數(shù)據(jù)并行和流水并行，且易于在數(shù)據(jù)并行和流水并行之間平衡。而GPU幾乎只能做數(shù)據(jù)并行。

與ASIC相比，F(xiàn)PGA的可編程性體現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心的各種算法每時(shí)每刻都在更新變化，沒(méi)有足夠穩(wěn)定的時(shí)間讓ASIC完成長(zhǎng)周期的開(kāi)發(fā)。比如在一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型出來(lái)之后開(kāi)始把它做成ASIC，也許還未投片生產(chǎn)，這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)被另一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所替代。不同的是，F(xiàn)PGA可以在不同的業(yè)務(wù)需求之間做平衡。比如說(shuō)白天用于為搜索業(yè)務(wù)排序的機(jī)器;在晚上請(qǐng)求很少的情況下，可以將這些FPGA重新配置成離線數(shù)據(jù)分析的功能，提供對(duì)離線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的服務(wù)。

另外由于FPGA有高速SERDES等豐富的接口，而且能靈活控制實(shí)現(xiàn)的粒度和操作數(shù)據(jù)，因此非常適合進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。比如說(shuō)FPGA可以很方便的接入以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)以太網(wǎng)包進(jìn)行包過(guò)濾等處理。

和CPU、GPU、ASIC在設(shè)計(jì)上的區(qū)別

(圖3)處理器芯片對(duì)比

CPU/GPU 屬于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，任務(wù)執(zhí)行需要經(jīng)歷取指、譯碼、執(zhí)行、訪存以及寫回等過(guò)程。CPU為達(dá)到足夠高的通用性，其指令流的控制邏輯相當(dāng)復(fù)雜。GPU使用SIMD單指令多數(shù)據(jù)流并行等方式進(jìn)行計(jì)算加速。

FPGA/ASIC在使用時(shí)硬件功能模塊已固定，無(wú)需分支判斷等復(fù)雜控制邏輯，同時(shí)大大降低了訪存次數(shù)。因此在能效上可以比 CPU 高出1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。

ASIC是一種專用的芯片，是為了某種特定的需求而專門定制的芯片。ASIC與通用芯片相比，體積小、功耗低、計(jì)算效率高、芯片出貨量越大成本越低。但是缺點(diǎn)也很明顯：開(kāi)發(fā)周期很長(zhǎng)，算法是固定的，一旦算法變化就可能無(wú)法重用。

而FPGA則是“軟硬件一體”的架構(gòu)，軟件就是硬件。FPGA基本原理是在芯片內(nèi)集成大量的數(shù)字門電路以及存儲(chǔ)器，用戶可以通過(guò)燒入 FPGA 配置文件來(lái)來(lái)定義這些門電路以及存儲(chǔ)器之間的連線，進(jìn)而得到不同的硬件功能。

就開(kāi)發(fā)難度而言，ASIC > FPGA > GPU > CPU。目前主流的FPGA開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是硬件描述HDL，需要開(kāi)發(fā)者具備一定的相關(guān)技能。隨著業(yè)界OPENCL、HLS等類C高級(jí)語(yǔ)言的推進(jìn)，F(xiàn)PGA的開(kāi)發(fā)難度和周期也會(huì)有所改善。

FPGA 部署在哪里?與 CPU 之間如何通信?

騰訊云的FPGA主要部署在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器中。騰訊云將FPGA芯片加上DDR內(nèi)存、外圍電路和散熱片，設(shè)計(jì)成PCIE板卡。這種FPGA板卡被安裝在服務(wù)器的主板上，用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器，開(kāi)發(fā)調(diào)試FPGA，并用其加速特定業(yè)務(wù)。

FPGA與CPU之間是通過(guò)PCIE鏈路通信的。CPU內(nèi)部集成了DDR內(nèi)存控制器和PCIE控制器。在FPGA芯片內(nèi)部也用可編程邏輯資源實(shí)現(xiàn)了PCIE控制器、DDR控制器和DMA控制器。一般通訊分三種情況：

(1)指令通道

CPU向FPGA芯片寫入指令，讀取狀態(tài)。CPU直接通過(guò)PCIE訪問(wèn)到FPGA芯片內(nèi)掛載的存儲(chǔ)器或內(nèi)部總線。

(2)數(shù)據(jù)通道

CPU讀寫FPGA板卡上DDR的數(shù)據(jù)時(shí)，CPU通過(guò)PCIE配置FPGA芯片內(nèi)的DMA控制器，輸入數(shù)據(jù)的源物理地址和目的物理地址。DMA控制器控制FPGA卡上的DDR控制器和PCIE控制器，在FPGA卡上的DDR內(nèi)存和CPU連接的DDR內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)。

(3)通知通道

FPGA通過(guò)PCIE向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求，CPU收到中斷請(qǐng)求后保存當(dāng)前工作現(xiàn)場(chǎng)，然后轉(zhuǎn)入中斷處理程序執(zhí)行，必要時(shí)會(huì)關(guān)閉中斷執(zhí)行中斷處理程序。CPU執(zhí)行完中斷處理程序后，會(huì)重新打開(kāi)中斷，然后重載到之前的工作現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)執(zhí)行。

目前FPGA行業(yè)面臨的問(wèn)題

在行業(yè)內(nèi)，微軟在數(shù)據(jù)中心使用FPGA架構(gòu)，Amazon也推出了FPGA的計(jì)算實(shí)例，那么是不是說(shuō)明整個(gè)行業(yè)對(duì)FPGA的使用比較廣泛呢?實(shí)際上，F(xiàn)PGA是個(gè)硬件芯片，它本身不能直接使用，也缺乏類似操作系統(tǒng)這樣的系統(tǒng)軟件支持。長(zhǎng)期以來(lái)，F(xiàn)PGA行業(yè)在數(shù)據(jù)計(jì)算加速方向可以分為以下幾個(gè)參與方：

1. 芯片原廠：Xilinx和Altera(已被Intel收購(gòu))提供FPGA的芯片，直供或者給代理商分銷。

2. IP提供商：提供各種功能的IP，比如訪問(wèn)DDR內(nèi)存的IP，支持PCIE設(shè)備的IP，圖片編解碼的IP。一些共同的通用IP由芯片原廠提供。

3. 集成商：集成商提供硬件和軟件的支持。由于直接用戶缺乏硬件設(shè)計(jì)和制造能力，往往希望集成商提供成熟完善的硬件，并完成IP的集成，提供驅(qū)動(dòng)和使用方式，方便最終用戶的使用。

4. 用戶：最終使用者。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，用戶一般目的是希望使用FPGA對(duì)計(jì)算進(jìn)行加速。

在FPGA行業(yè)，芯片原廠并不提供直接使用的硬件板卡，這個(gè)工作由集成商完成。由于硬件板卡使用量小和分擔(dān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本，硬件板卡價(jià)格往往高于芯片價(jià)格，甚至達(dá)到十倍之多。

IP提供商因?yàn)閾?dān)心產(chǎn)權(quán)泄露，通常不會(huì)迅速提供可用的可執(zhí)行文件(網(wǎng)表文件)給用戶，而是需要簽署一系列的協(xié)議和法律文件，甚至有的IP提供商根本不提供給用戶測(cè)試的機(jī)會(huì)。這樣就造成最終用戶很難得到可用的硬件板卡，更難以及時(shí)獲得使用最新工藝芯片的硬件板卡，造成用戶無(wú)法快速對(duì)不同IP進(jìn)行驗(yàn)證，從而挑選適合自身業(yè)務(wù)的IP。另外，F(xiàn)PGA的開(kāi)發(fā)使用硬件描述語(yǔ)言，缺乏軟件領(lǐng)域非常廣泛使用的框架概念，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期漫長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)周期是軟件開(kāi)發(fā)的三倍左右。

綜上所述的這些問(wèn)題，決定了云對(duì)FPGA行業(yè)的顛覆和革命。

騰訊云FPGA平臺(tái)具體能解決哪些問(wèn)題

騰訊云FPGA平臺(tái)解決的是FPGA整個(gè)行業(yè)的一些問(wèn)題。FPGA用戶比較少，屬于一個(gè)相對(duì)封閉的圈子，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)門檻高、開(kāi)源的優(yōu)質(zhì)IP比較缺乏、芯片價(jià)格昂貴等問(wèn)題一直為大家所詬病。

針對(duì)開(kāi)發(fā)者，騰訊云FPGA平臺(tái)提供了FPGA的底層硬件支撐平臺(tái)，類似操作系統(tǒng)的部分功能，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)者對(duì)底層通用設(shè)備的訪問(wèn)，比如DDR和PCIE這些通用設(shè)備，可以使開(kāi)發(fā)者更聚焦到業(yè)務(wù)功能的開(kāi)發(fā)。

FPGA 行業(yè)內(nèi)的IP提供者和使用者缺乏一個(gè)公開(kāi)的交易平臺(tái)和信用保證機(jī)制，IP交易環(huán)節(jié)冗長(zhǎng)，價(jià)格不透明，很難達(dá)成交易，獲取 IP 后還需要搭建硬件平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證IP性能，這些都嚴(yán)重影響產(chǎn)品上市進(jìn)程，經(jīng)常耗時(shí)幾個(gè)月之久。騰訊云提供了FPGA IP商店，IP開(kāi)發(fā)者和IP提供商可以通過(guò)FPGA IP商店為其他客戶無(wú)償或有償?shù)靥峁〧PGA IP和對(duì)應(yīng)的測(cè)試程序。這些IP都是基于騰訊云FPGA的標(biāo)準(zhǔn)硬件來(lái)開(kāi)發(fā)定制的，IP的驗(yàn)證和測(cè)試可以很方便地在云平臺(tái)上完成，一個(gè)IP的交易可以由幾個(gè)月縮短到一天之內(nèi)，提高交易效率，也使得IP交易變得更加透明。

針對(duì)一些希望使用低延時(shí)的高質(zhì)量計(jì)算服務(wù)的小型公司而言，可以使用FPGA云計(jì)算加速服務(wù)，不用耗費(fèi)大量人力進(jìn)行高性能計(jì)算方面的開(kāi)發(fā)，很簡(jiǎn)單地就可以把高性能的云計(jì)算服務(wù)集成到自己的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，達(dá)到提升用戶體驗(yàn)的目的。比如：低延時(shí)的圖片格式轉(zhuǎn)換、基于深度學(xué)習(xí)的圖片分類等服務(wù)，類似的服務(wù)后續(xù)還會(huì)進(jìn)一步豐富。

對(duì)于學(xué)校的FPGA教學(xué)而言，以前學(xué)校需要為每個(gè)學(xué)生購(gòu)買一個(gè)開(kāi)發(fā)板卡，有了騰訊云平臺(tái)之后可以節(jié)省學(xué)校購(gòu)買開(kāi)發(fā)板的成本，現(xiàn)在只需要給每個(gè)學(xué)生申請(qǐng)一個(gè)FPGA云平臺(tái)的賬戶即可，學(xué)生登錄上去直接可以根據(jù)demo進(jìn)行學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)即可。騰訊云平臺(tái)同時(shí)會(huì)為用戶提供便于學(xué)習(xí)的操作指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)課程方案，用戶學(xué)習(xí)的東西更接近企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，可以很好地跟將來(lái)的工作需要對(duì)接起來(lái)。

此外，大容量的FPGA芯片價(jià)格比較昂貴， 一個(gè)很重要的原因是FPGA芯片缺少量大的爆款產(chǎn)品，而騰訊云FPGA平臺(tái)可以聚集大量的客戶來(lái)使用騰訊的標(biāo)準(zhǔn)FPGA硬件設(shè)備，這樣會(huì)增大該FPGA芯片的供應(yīng)量，同時(shí)也便于芯片廠商降低成本，逐漸緩解FPGA芯片昂貴的問(wèn)題。

從這些可以看出FPGA云化意義重大，可以推動(dòng)整個(gè)FPGA行業(yè)的發(fā)展，給FPGA產(chǎn)業(yè)鏈的各方帶來(lái)收益。

FPGA在互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

· 圖片轉(zhuǎn)碼

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，用戶每天上傳的圖片量越來(lái)越龐大，公司目前用于圖片轉(zhuǎn)碼的業(yè)務(wù)主要有QQ相冊(cè)、微信等，而業(yè)務(wù)中使用的圖片格式大都為JPEG格式、WebP格式等，而圖片轉(zhuǎn)碼所帶來(lái)的計(jì)算消耗需要上萬(wàn)臺(tái)CPU機(jī)器支撐。所以FPGA在互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中第一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景就是圖片轉(zhuǎn)碼：JPEG圖片格式轉(zhuǎn)成WebP圖片格式。項(xiàng)目取得了FPGA處理延時(shí)相比CPU降低了20倍，F(xiàn)PGA處理性能是CPU機(jī)器的6倍。

為了更進(jìn)一步提升圖片的壓縮率，同時(shí)隨著HEVC高性能編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，HEVC的I幀圖片壓縮率和之前的WebP/JPEG等編碼標(biāo)準(zhǔn)有了很大的提升，HEVC的I幀圖片壓縮率和WebP相比提高20~30%左右，和JPEG相比提高更多，平均能到50%左右，因此，無(wú)論從下載帶寬節(jié)省還是后臺(tái)存儲(chǔ)成本降低，以及用戶下載圖片體驗(yàn)等角度來(lái)看，HEVC標(biāo)準(zhǔn)都有很大優(yōu)勢(shì)。而采用HEVC的問(wèn)題在于HEVC 的幀壓縮計(jì)算復(fù)雜度非常高，采用CPU進(jìn)行轉(zhuǎn)碼成本很高，導(dǎo)致很難在業(yè)務(wù)中全面推廣。為了增強(qiáng)圖片轉(zhuǎn)碼能力，騰訊繼續(xù)使用FPGA對(duì)圖片轉(zhuǎn)碼進(jìn)行加速。

經(jīng)測(cè)試，完成WebP/JPEG格式圖片轉(zhuǎn)成HEVC格式圖片，測(cè)試圖片大小為1920x1080，F(xiàn)PGA處理延時(shí)相比CPU降低7倍，F(xiàn)PGA處理性能是CPU機(jī)器的10倍，F(xiàn)PGA機(jī)型單位成本是CPU機(jī)型的1/3。

· 圖片分類

深度學(xué)習(xí)近年來(lái)在語(yǔ)音識(shí)別、圖片分類和識(shí)別、推薦算法等領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，為了增強(qiáng)圖片檢測(cè)的處理能力，降低圖片檢測(cè)成本，騰訊使用FPGA對(duì)CNN計(jì)算進(jìn)行加速。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用FPGA完成CNN算法的Alexnet模型，F(xiàn)PGA處理性能是CPU機(jī)器的4倍，F(xiàn)PGA機(jī)型單位成本是CPU機(jī)型的1/3。

FPGA能讓開(kāi)發(fā)者/團(tuán)隊(duì)更“任性”

對(duì)于外部開(kāi)發(fā)者和開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，首先，騰訊云FPGA提供統(tǒng)一的硬件平臺(tái)。開(kāi)發(fā)者無(wú)需關(guān)注 FPGA 基礎(chǔ)設(shè)施，免去了重復(fù)開(kāi)發(fā)硬件平臺(tái)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，快捷部署，幾分鐘就可以部署完畢一臺(tái)全新的FPGA平臺(tái)。FPGA芯片豐富的邏輯資源可以為開(kāi)發(fā)者“任性”實(shí)現(xiàn)功能提供保障。統(tǒng)一的平臺(tái)也便于開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)快速?gòu)椥詳U(kuò)展硬件平臺(tái)，從而提高業(yè)務(wù)容災(zāi)可靠性。

其次，騰訊云FPGA提供完備的開(kāi)發(fā)環(huán)境，不需要專門人員開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)環(huán)境。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言多樣性，HLS，OPENCL，RTL滿足不同類別的開(kāi)發(fā)人員需求，降低學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)門檻，簡(jiǎn)單易用。

再者，騰訊云FPGA提供豐富的IP功能，不僅有大量免費(fèi)IP和有償?shù)腎P服務(wù)，而且交易流程透明、安全、可靠。加速開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)進(jìn)度的同時(shí)也為開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)提供一個(gè)將自己開(kāi)發(fā)的IP進(jìn)行交易的平臺(tái)。

最后，騰訊云FPGA提供專業(yè)安全防護(hù)。部署到云上，將享受與云服務(wù)器同等的云安全基礎(chǔ)防護(hù)和高防服務(wù)。免去傳統(tǒng)FPGA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸安全所帶來(lái)的困擾。

可以看到，傳統(tǒng)的FPGA開(kāi)發(fā)面臨的硬件平臺(tái)穩(wěn)定性、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言門檻高、調(diào)試周期長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)軟件聯(lián)合調(diào)試等問(wèn)題都將得到改觀，開(kāi)發(fā)者和開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠從繁雜和重復(fù)的工作中快速釋放出來(lái)，有更多的時(shí)間和精力投入到創(chuàng)新的工作中去，這將為整個(gè)技術(shù)研發(fā)的氛圍增加更多的創(chuàng)新因子，創(chuàng)造更多的價(jià)值。

未來(lái)，F(xiàn)PGA的行業(yè)價(jià)值

當(dāng)前AI火爆，得益于FPGA的高密度計(jì)算能力以及低功耗的特性，F(xiàn)PGA率先在深度學(xué)習(xí)在線預(yù)測(cè)方向(廣告推薦、圖片識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等)得到了較大規(guī)模的部署。用戶也常常將FPGA與GPU進(jìn)行對(duì)比，GPU的易編程性、高吞吐與FPGA的低功耗、易部署等特性也各有千秋。相較于GPU以及ASIC，F(xiàn)PGA的低延時(shí)以及可編程性也是其核心競(jìng)爭(zhēng)能力。

對(duì)于行業(yè)來(lái)說(shuō)，云是一種共享服務(wù)的思想，用戶不以占有的方式使用硬件和軟件，而是共享復(fù)用，因此大大降低了使用成本，提升了資源的使用效率。FPGA云服務(wù)，可以讓行業(yè)參與方都獲得價(jià)值：

1. 芯片原廠：不需要經(jīng)過(guò)層層代理，增加成本，而是可以通過(guò)云提供硬件板卡復(fù)用的服務(wù)。因?yàn)橛布y(tǒng)一采購(gòu)和維護(hù)，也大大提升了穩(wěn)定性和可靠性。

2. IP提供商：可以把IP放到云平臺(tái)的市場(chǎng)中去，最終用戶使用時(shí)，云平臺(tái)完成部署和交付，用戶不需要接觸可執(zhí)行文件(網(wǎng)表文件)，因此不存在產(chǎn)權(quán)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。這將鼓勵(lì)I(lǐng)P提供商的服務(wù)方式，可以提供按時(shí)長(zhǎng)計(jì)費(fèi)，買斷計(jì)費(fèi)，乃至試用版免費(fèi)等方式，用戶也可以迅速驗(yàn)證。

3. 設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)：云提供框架方式，封裝了常用的系統(tǒng)級(jí)操作(DDR內(nèi)存的訪問(wèn)、DMA、PCIE設(shè)備控制等)，可以支持硬件描述語(yǔ)言，也支持OPENCL以及類似C的高級(jí)語(yǔ)言。提供通用的驅(qū)動(dòng)和調(diào)用庫(kù)，不需要用戶編程。對(duì)高階用戶而言，也可以使用OPENCL或者硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)自己的功能。

4. FPGA最初的應(yīng)用場(chǎng)景是在通信行業(yè)，那么其高通信帶寬以及實(shí)時(shí)性處理能力可以為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)帶來(lái)什么改變呢?當(dāng)前，F(xiàn)PGA可以在IDC大顯神威的地方，例如低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、高性能存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)安全等等。可喜的是，我們看到微軟以及亞馬遜等同行已經(jīng)使用FPGA在其公有云網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了諸多積極嘗試，騰訊云當(dāng)前也在多個(gè)方向進(jìn)行積極的探索和實(shí)踐。

可以預(yù)見(jiàn)的是，借助于FPGA，我們的數(shù)據(jù)中心會(huì)更加的綠色高效。