FPGA，現場可編程門陣列，一種半定製的數字集成電路。FPGA 憑借其靈活性高、開發周期短、處理性能強（並行）等特點，廣泛應用於(yu) 通信、圖像處理、醫療等領域。隨著科技的進步，FPGA 在人工智能、5G 和自動駕駛等領域也有一席之地。但對於(yu) 大多數人來說，FPGA依然是神秘而陌生的。讓我們(men) 結合其在雲(yun) 計算行業(ye) 中的應用，簡單介紹一下。  

什麽(me) 是FPGA?  

通俗來講，它是一種芯片，和我們(men) 熟知的CPU、GPU、ASIC芯片一樣，有其自己的應用場景。FPGA（Field Programmable Gate Array）中文名現場可編程邏輯門陣列，是可編程器件，與(yu) 傳(chuan) 統邏輯電路和門陣列（如PAL、GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的結構，允許無限次的編程。  

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(ge) 概念，內(nei) 部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊IOB（Input Output Block）和內(nei) 部連線（Interconnect）三個(ge) 部分。    

FPGA的優(you) 勢  

近幾年人工智能、大數據各種web服務的規模在指數級的增長，而通用處理器（CPU）的摩爾定律的性能的提升遇到瓶頸。人們(men) 通過使用定製硬件來加速常見的計算任務，然而日新月異的行業(ye) 又要求這些定製的硬件可被重新編程來執行新類型的計算任務。FPGA的可編程屬性進入人們(men) 的視野。  

通常，計算密集型任務，如：矩陣運算、圖像處理、機器學習(xi) 、壓縮、非對稱加密、搜索引擎的排序等。這類任務一般是CPU把任務卸載（offload）給FPGA去執行。對這類任務，目前我們(men) 正在用的Intel StraTIx V FPGA的整數乘法運算性能與(yu) 20核的CPU基本相當，浮點乘法運算性能與(yu) 8核的CPU基本相當。  

Intel StraTIx 10 FPGA，配備更多的乘法器和硬件浮點運算部件，理論上可達到與(yu) 現在的頂級CPU旗鼓相當的計算能力。

在雲(yun) 計算數據中心，FPGA相比與(yu) CPU和GPU的核心優(you) 勢在於(yu) 延遲更低。各芯片的延遲對比，如下圖：    

對通信密集型任務，FPGA相比CPU、GPU 的優(you) 勢就更大了。從(cong) 吞吐量上講，FPGA上的收發器可以直接接上40 Gbps甚至100 Gbps的網線，線束處理任意大小的數據包；而CPU需要從(cong) 網卡把數據包收上來才能處理，很多網卡是不能線束處理64字節的小數據包的。盡管可以通過插多塊網卡來達到高性能，但CPU和主板支持的PCIe插槽數量往往有限，而且網卡、交換機本身也價(jia) 格不菲。  

從(cong) 延遲上講，網卡把數據包收到CPU，CPU再發給網卡，即使使用DPDK這樣高性能的數據包處理框架，延遲也有4-5微秒。更嚴(yan) 重的問題是，通用CPU的延遲不夠穩定。例如當負載較高時，轉發延遲可能升到幾十微秒甚至更高，操作係統中的時鍾中斷和任務調度也增加了延遲的不確定性。  

FPGA在雲(yun) 計算的應用  

雲(yun) 計算中心部署FPGA大致有三種場景：  

1 專(zhuan) 用集群場景  

FPGA服務器作為(wei) 專(zhuan) 用服務器裏麵插滿了FPGA加速卡，就像是一個(ge) FPGA組成的超級計算機。例如，某公司的實際應用一塊PCIe卡上放了6塊FPGA，每台1U服務器上又插了4 塊PCIe卡。  

2 網絡集群場景  

為(wei) 了保證數據中心中服務器的同構性，在每台服務器上插一塊FPGA，FPGA之間通過專(zhuan) 用網絡連接。  

3 獨立節點場景  

FPGA脫離服務器，作為(wei) 獨立的角色存在於(yu) 雲(yun) 計算集群中。把FPGA部署在網卡和交換機之間。如下圖所示，每個(ge) FPGA有一個(ge) 4 GB DDR3-1333 DRAM，通過兩(liang) 個(ge) PCIe Gen3 x8 接口連接到一個(ge) CPU socket（物理上是PCIe Gen3 x16接口，因為(wei) FPGA沒有x16的硬核，邏輯上當成兩(liang) 個(ge) x8的用）。物理網卡（NIC）就是普通的40 Gbps網卡，僅(jin) 用於(yu) 宿主機與(yu) 網絡之間的通信。    

FPGA（SmartNIC）對每個(ge) 虛擬機虛擬出一塊網卡，虛擬機通過SR-IOV直接訪問這塊虛擬網卡。原本在虛擬交換機裏麵的數據平麵功能被移到了FPGA裏麵，虛擬機收發網絡數據包均不需要CPU參與(yu) ，也不需要經過物理網卡（NIC）。這樣不僅(jin) 節約了CPU資源，還提高了虛擬機的網絡性能，把同數據中心虛擬機之間的網絡延遲降低了10倍。  

FPGA複用主機網絡的初心是加速網絡和存儲(chu) ，更深遠的影響則是把FPGA之間的網絡連接擴展到了整個(ge) 數據中心的規模，做成真正的cloud-scale 超級計算機。

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