基于 FPGA 的基礎(chǔ)架構(gòu)準(zhǔn)備將神經(jīng)可塑性運(yùn)用到 IaaS（基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)），實(shí)現(xiàn)高性能、定制化、設(shè)計(jì)安全的云計(jì)算服務(wù)。

神經(jīng)科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為人腦的結(jié)構(gòu)是不變的，其神經(jīng)元在幼年即已定型。后來研究證明人腦實(shí)際上是可塑的：為了對(duì)環(huán)境激勵(lì)做出響應(yīng)并借助思維行為本身，人腦在動(dòng)態(tài)地改變自己的結(jié)構(gòu)、功能和神經(jīng)連接，甚至通過神經(jīng)再生長(zhǎng)出新的神經(jīng)元。而且這種神經(jīng)可塑性會(huì)一直持續(xù)到老。

這種經(jīng)證明的人腦可塑性正在開啟基于靈活、強(qiáng)大、量身定制的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù) (IaaS) 的突破性創(chuàng)新數(shù)字業(yè)務(wù)模型。基于可定制云的 IaaS 有望通過綜合與請(qǐng)求的服務(wù)有關(guān)的優(yōu)化計(jì)算來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性產(chǎn)品差異化，交付特定的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)，為最終用戶帶來增值。這種模式要求特別關(guān)注高計(jì)算強(qiáng)度功能或應(yīng)用背后的計(jì)算機(jī)架構(gòu)性能、定制化和安全性等設(shè)計(jì)參數(shù)。已經(jīng)出現(xiàn)在可重配置硬件技術(shù)的 DNA 中并且現(xiàn)在可部署到 FPGA 驅(qū)動(dòng)的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的這些技術(shù)特性，正準(zhǔn)備改變數(shù)字化業(yè)務(wù)的游戲規(guī)則。

神經(jīng)可塑性和云計(jì)算

近期神經(jīng)科學(xué)的最新進(jìn)展已經(jīng)顯示我們通過采用新的思維模式和行為方式就可以輕松地重塑自己的大腦。大腦和神經(jīng)系統(tǒng)用于定位行為的神經(jīng)路徑連接著大腦中相對(duì)較遠(yuǎn)的區(qū)域，而且每一個(gè)路徑都與特定的領(lǐng)域或行為息息相關(guān)。新的思維和技能一旦出現(xiàn)，就會(huì)鋪設(shè)新的路徑。每次我們思考、感受或做什么事情的時(shí)候，我們就會(huì)通過重復(fù)練習(xí)來強(qiáng)化相關(guān)路徑，直至行為成為習(xí)慣。

隨著神經(jīng)科學(xué)深化我們對(duì)大腦的理解，云計(jì)算技術(shù)在過去十年已取得長(zhǎng)足發(fā)展，通過互聯(lián)網(wǎng)為世界各地?cái)?shù)十億用戶提供計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)和存儲(chǔ)服務(wù)。個(gè)人、企業(yè)及其他機(jī)構(gòu)正在盡情享用存儲(chǔ)、視頻、消息傳輸、社交網(wǎng)絡(luò)、線上游戲和 Web 搜索等云服務(wù)。云服務(wù)不止是一種 IT 現(xiàn)象；它越來越多地成為企業(yè)在發(fā)展自己的業(yè)務(wù)的同時(shí)借助不斷提升的計(jì)算能力降低成本、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的動(dòng)力。行業(yè)觀察家已預(yù)計(jì)未來數(shù)年 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的主要開支將投入在云平臺(tái)和應(yīng)用上。

眾多研發(fā)團(tuán)隊(duì)深信 FPGA 是云計(jì)算服務(wù)器中的應(yīng)用專用加速器的未來實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

這就是說我們能否在發(fā)現(xiàn)神經(jīng)可塑性和云計(jì)算爆炸式增長(zhǎng)之間找到某種關(guān)系，可能激發(fā)新的數(shù)字業(yè)務(wù)模式？

試想對(duì)人的神經(jīng)系統(tǒng)的天生神經(jīng)可塑性進(jìn)行抽象，并將這個(gè)概念直接移植到云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)上。通過支持 FPGA 和 SoC 器件中可用的可重配置硬件技術(shù)，突破性 IaaS 模式可根據(jù)任何給定時(shí)間客戶提出的特定需求來適配和優(yōu)化分布在任何云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器計(jì)算機(jī)架構(gòu)，從而得到的計(jì)算轉(zhuǎn)化為增值。為強(qiáng)化神經(jīng)科學(xué)類比，我們使用“神經(jīng)可塑性云”一語來描述將軟核處理器與可編程邏輯融合在一起 (FPGA) ，以提供異構(gòu)硬件-軟件處理生態(tài)系統(tǒng)的物理云計(jì)算架構(gòu)。通過這種生態(tài)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器可根據(jù)云中使用的特定應(yīng)用定制和適配自己的計(jì)算能力（圖 1）。

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圖 1 - 神經(jīng)可塑性云架構(gòu)

這一概念激勵(lì)的是一種云計(jì)算模式的轉(zhuǎn)變。在這種轉(zhuǎn)變中，任何給定計(jì)算“大腦”的適配能力，一旦該“大腦”在可重配置硬件中綜合為移植到云端的定制計(jì)算單元，就能提供與在嚴(yán)格和特定的計(jì)算要求（往往通過今天的標(biāo)準(zhǔn)云解決方案無法實(shí)現(xiàn)）下履行云服務(wù)的數(shù)字業(yè)務(wù)相比明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。能從這種方法中獲益的應(yīng)用領(lǐng)域包括金融趨勢(shì)分析、實(shí)時(shí)醫(yī)療成像處理、生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、基因組測(cè)序、能源/石油/天然氣分配實(shí)時(shí)控制、大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)。

把可重配置硬件技術(shù)引入到云計(jì)算領(lǐng)域的理念肇始于學(xué)術(shù)研究。可重配置計(jì)算社區(qū)一段時(shí)間以來一直在探索將 FPGA 與通用處理器相結(jié)合的機(jī)會(huì)，而且眾多研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確信 FPGA 是未來的云計(jì)算服務(wù)器中應(yīng)用專用加速器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。這一理解尚未轉(zhuǎn)化為廣泛可用的商用解決方案；但微軟、IBM、英特爾、高通和百度等云技術(shù)主導(dǎo)企業(yè)加上 FPGA 廠商正在極力倡導(dǎo)將 FPGA 用于數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載的優(yōu)化。

在這個(gè)數(shù)字服務(wù)經(jīng)濟(jì)推動(dòng)云計(jì)算增長(zhǎng)的時(shí)代，云計(jì)算利益相關(guān)方逐漸認(rèn)識(shí)到，數(shù)據(jù)中心采用 FPGA 比采用其它可用替代方案，能提供更高的性能功耗比。這意味著云服務(wù)提供商會(huì)很快有新的策略，用于交付為他們的客戶的特定需求定制的計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)，并通過響應(yīng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)安全，當(dāng)然還包括性能等有意義的 QoS 參數(shù)加以量化。任何數(shù)字化企業(yè)的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)都會(huì)隨著可重配置硬件技術(shù)的部署發(fā)生明顯變化，直至企業(yè)停止把基礎(chǔ)架構(gòu)當(dāng)作商品對(duì)待，而是將其當(dāng)作業(yè)務(wù)價(jià)值鏈中的關(guān)鍵一環(huán)來使用。

三大內(nèi)在屬性支撐著提議的基于可重配置硬件的神經(jīng)塑性云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)：高性能（以更快速度得到結(jié)果）、靈活性（經(jīng)優(yōu)化的計(jì)算，采用完全適配將要運(yùn)行的特定應(yīng)用的架構(gòu)）和安全性（從設(shè)計(jì)提供的數(shù)據(jù)隱私、加密和防范網(wǎng)絡(luò)安全威脅的保護(hù)）。綜合運(yùn)用這些特征有望促成數(shù)字業(yè)務(wù)時(shí)代的突破性創(chuàng)新。

高性能計(jì)算走向云端

高性能計(jì)算 (HPC) 基本上是指使用并行處理功能高效、可靠、迅速地運(yùn)行高級(jí)應(yīng)用程序。過去高性能計(jì)算的使用權(quán)局限于學(xué)術(shù)界、工程師和科學(xué)家。實(shí)際上，高性能計(jì)算幾乎成為超級(jí)計(jì)算中心的代名詞，用于處理理論物理模型仿真的復(fù)雜計(jì)算。高性能計(jì)算的典型應(yīng)用領(lǐng)域包括氣候建模、碰撞仿真和生物信息學(xué)。這些領(lǐng)域在性質(zhì)上就是高計(jì)算強(qiáng)度的。

云計(jì)算讓高性能計(jì)算走入尋常百姓家。隨著時(shí)間推移，對(duì)這一計(jì)算能力的需求正在超越傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算中心，延伸到公有云、私有云、混合云、社區(qū)云乃至個(gè)人云中，用戶通過便攜式甚至是可穿戴嵌入式設(shè)備就能夠使用。

對(duì)許多服務(wù)和應(yīng)用來說，這種對(duì)計(jì)算能力不斷增長(zhǎng)的需求意味著嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間要求，要求提供商使用最先進(jìn)的技術(shù)更新自己的計(jì)算平臺(tái)。在實(shí)時(shí)圖像處理、視頻流和大數(shù)據(jù)分析等這些應(yīng)用中，降低時(shí)延，加快得到結(jié)果都是最終用戶看重的 QoS 要素。大公司、創(chuàng)業(yè)企業(yè)和中小型企業(yè)(SME)逐漸認(rèn)識(shí)到，先進(jìn)的計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)能帶來競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。隨著 HPC 進(jìn)入主流，云計(jì)算通過實(shí)現(xiàn)對(duì)無限計(jì)算資源的共享彈性訪問，在 HPC 交付方面正起著關(guān)鍵作用，尤其是對(duì)已經(jīng)使用集群和網(wǎng)格計(jì)算的工程和科學(xué)應(yīng)用而言。

鑒于云基礎(chǔ)架構(gòu)工作負(fù)載對(duì)計(jì)算能力、靈活性和電源效率提出了更高的要求，基于 FPGA 的首創(chuàng)替代方案能提供超越行業(yè)需求的高性能解決方案。借助可重復(fù)配置硬件技術(shù)，以并行處理支撐的計(jì)算平臺(tái)有望提供快捷平衡的解決方案，尤其是在要求以極快速度處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用中。為了顯著降低時(shí)延，F(xiàn)PGA 廠商與主要的利益相關(guān)方密切協(xié)作，通過將綜合在 FPGA 邏輯中的加速器連接至現(xiàn)有處理器，正設(shè)法實(shí)現(xiàn)高性能、更高能效的數(shù)據(jù)中心。

據(jù)中心中的靈活計(jì)算

隨著最終用戶逐漸習(xí)慣和依賴把自己的個(gè)人數(shù)據(jù)托管到云端，預(yù)計(jì)云計(jì)算將成為 IT 交付的默認(rèn)方式。與之相關(guān)的一個(gè)趨勢(shì)是把產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為服務(wù)，分解成能夠在按使用付費(fèi)業(yè)務(wù)模式中重新組合以準(zhǔn)確滿足客戶需求的單元。IaaS 就是一種把云計(jì)算硬件基礎(chǔ)設(shè)施（服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)）作為互聯(lián)網(wǎng)上的按需服務(wù)交付的途徑。許多企業(yè)意識(shí)到云硬件基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)他們的業(yè)務(wù)不可或缺，但他們把它當(dāng)作不會(huì)給自己帶來任何競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的商品對(duì)待，因?yàn)樗麄兊母?jìng)爭(zhēng)對(duì)手基本上使用相同的技術(shù)提供基本上相同的 QoS。

可重配置硬件技術(shù)能顛覆這樣的模式。該技術(shù)帶來極具競(jìng)爭(zhēng)力的性能功耗比提升，降低總體成本，并用作可擴(kuò)展的可重配置加速平臺(tái)，能夠?qū)θ魏喂ぷ髫?fù)載進(jìn)行按需優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)明顯的差異化。配備 FPGA 器件的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器能支持可針對(duì)特定計(jì)算優(yōu)化的硬件軟件計(jì)算平臺(tái)。靈活的硬件是讓最終用戶用上與云基礎(chǔ)架構(gòu)緊密掛鉤的豐富特性的關(guān)鍵，比如設(shè)計(jì)保障的專用高性能計(jì)算。

有幾大因素有利于向云端的靈活計(jì)算轉(zhuǎn)型。FPGA 的并行處理功能是一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。此外，通過 FPGA 在云端集成異構(gòu)硬件資源，為無需依賴持續(xù)的 CPU 性能提升就能改善計(jì)算效率提供了機(jī)遇。

另外，為了增加任何特定計(jì)算任務(wù)的吞吐量，往往可以在 FPGA 資源中對(duì)其實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行流水線操作。借助靈活的硬件對(duì)最終用戶應(yīng)用進(jìn)行精細(xì)流水線，可交付最佳性能的定制解決方案。

接著，還可以發(fā)揮 FPGA 中硬件資源的部分可重配置性，在運(yùn)行中把不同的定制協(xié)處理器換入和換出特定資源，從而以多路復(fù)用的方式動(dòng)態(tài)地按需計(jì)算所需應(yīng)用算法中計(jì)算強(qiáng)度最大的部分。這種方法基本不會(huì)影響執(zhí)行時(shí)間，同時(shí)提供了一種能權(quán)衡面積與性能的低成本解決方案。

采用基于云的 IaaS 的可重配置硬件不僅可以擴(kuò)大云計(jì)算的供應(yīng)，提高定制化水平，還能增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性。

總之，定制云計(jì)算能為一定數(shù)量領(lǐng)域的提供商和從業(yè)者帶來重大差異化。例如，采用特定計(jì)算機(jī)架構(gòu)而非標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)支持的金融計(jì)算應(yīng)用能加快經(jīng)紀(jì)人對(duì)金融趨勢(shì)的分析，這樣他們買入或賣出股票的速度就能比他們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更快。如果負(fù)責(zé)處理所需的實(shí)時(shí)處理算法的計(jì)算機(jī)對(duì)執(zhí)行這些算法進(jìn)行了專門的優(yōu)化，醫(yī)療人員就能在開展遠(yuǎn)程外科手術(shù)的過程中提高成像質(zhì)量并縮短響應(yīng)時(shí)間。在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的大數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)游戲等其他計(jì)算領(lǐng)域中，QoS 以時(shí)延和開銷為衡量指標(biāo)，高 QoS 能產(chǎn)生顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。