硬件与软件创新并重 英特尔让FPGA“定制化”更进一步

作者:李祥敬   【原创】   2020-12-08 15:41:25

关键字: FPGA 英特尔

在近日举行的英特尔FPGA技术大会上,英特尔公布了一系列的软硬件创新方案,包括全新可定制解决方案英特尔eASIC N5X、英特尔开放式FPGA开发堆栈(英特尔OFS),加速FPGA市场的发展。

对于专业人士来说,FPGA并不陌生,它一直都被广泛使用。但是,大部分人还不是太了解它,对它有很多疑问——FPGA到底是什么?为什么要使用它?相比 CPU、GPU、ASIC(专用芯片),FPGA有什么特点?……

简单说一下,FPGA是一种硬件可重构的体系结构。它的英文全称是Field Programmable Gate Array,中文名是现场可编程门阵列。FPGA常年来被用作专用芯片(ASIC)的小批量替代品,然而近年来在微软、百度等公司的数据中心大规模部署,以同时提供强大的计算能力和足够的灵活性。

当今计算工作负载呈现多样化趋势,需要不同的架构进行承载。为此,英特尔提出XPU战略,打造CPU、GPU、加速器和FPGA等,可以进行多种异构组合。在随着5G、AI等“新型基础设施”的落地,以FPGA为代表的加速硬件正在迎来快速发展期。

究其缘由,一方面5G的发展是从数据中心端一直到边缘端的网络加速,实现数据更快速的传输,需要技术的优化和创新正因FPGA拥有强大的灵活性,因此可赋能技术创新加速;另外一个方面是AI市场,预计到2022年AI市场规模将会拥有200亿美金,而FPGA甚至可以占到其中的5%-10%。

在近日举行的英特尔FPGA技术大会上,英特尔公布了一系列的软硬件创新方案,包括全新可定制解决方案英特尔eASIC N5X、英特尔开放式FPGA开发堆栈(英特尔OFS),加速FPGA市场的发展。

英特尔公司副总裁兼可编程解决方案事业部总经理Dave Moore表示,企业需要更高的灵活性和定制能力,而这正是英特尔FPGA的优势所在。凭借可编程性,FPGA可以随着需求和标准的变化快速调整,为通用计算提供灵活的加速,满足各种应用的需求。“对于企业来说,云计算在性能和新服务部署方面快速扩展,我们需要努力满足呈指数级增长的计算需求。FPGA正在通过SmartNIC和存储提升下一代基础设施的性能,并通过企业中的一致性至强连接加速应用和分析处理。”

硬件创新

FPGA为客户设计提供了最强的面市速度优势和最高的灵活性,同时,ASIC和结构化ASIC设备以最低能耗与成本提供了最好的硬件优化性能。FPGA是实现敏捷创新的理想之选,也是探索新一代技术的最快路径。FPGA的可编程性帮助客户针对特定工作负载快速开发硬件,并适应标准的不断变化。

全新可定制解决方案英特尔eASIC N5X搭载了英特尔FPGA兼容的硬件处理器系统,是首个结构化eASIC产品系列。英特尔eASIC N5X通过FPGA中的嵌入式硬件处理器帮助客户将定制逻辑与设计迁移到结构化ASIC中,带来了更低的单位成本,更快的性能和更低的功耗等好处。

英特尔eASIC N5X器件作为具有创新性的新产品,与FPGA相比最高可降低50%的核心能耗和成本,与ASIC相比则提升了面市速度,降低了非重复性工程成本。用户可以创建功耗优化、高性能、高度差异化的解决方案。英特尔eASIC N5X器件也内置了来自英特尔Agilex FPGA产品系列的安全性设备管家(包括安全启动、验证和防篡改功能),帮助客户满足许多应用的关键安全性需求。

英特尔是全球唯一一家提供涵盖FPGA(如英特尔Agilex和英特尔Stratix 10)、结构化ASIC(如英特尔eASIC N5X)以及ASIC的完整定制逻辑连续体的半导体公司。这一全面的数据处理可定制逻辑产品组合以业内独特的方式帮助英特尔客户真正实现特定市场解决方案的单位成本、性能、能耗和面市速度优化。

英特尔将之称为“定制逻辑连续体”,这是一种“三管齐下”的方法,支持在整个产品生命周期内重复进行灵活的优化:FPGA可为用户设计提供更佳的产品上市优势和更高的灵活性;ASIC能以更低的功耗和成本实现优异的硬件优化型性能;结构化eASIC则可以有效平衡产品上市优势与性能、成本之间的关系。

软件赋能

如果说硬件创新是FPGA发展的重要推动力,那么如何从软件层面进行赋能则是FPGA开发首要解决的问题。通过可拓展的硬件,以及可访问的git源代码库的软件框架,英特尔开放式FPGA开发堆栈(英特尔OFS)让软硬件及应用开发人员能更轻松地创建定制加速平台与解决方案。此外,英特尔OFS提供标准接口和API,实现更高的代码可重用率,加速了开发与快速部署。

英特尔数据平台事业部副总裁兼FPGA和电源产品事业部总经理Patrick Dorsey表示,过去FPGA仅面向使用RTL或硬件语言进行开发的技术人员,但是现在软件开发人员和硬件开发人员可以借助英特尔oneAPI简化开发工作,oneAPI行业计划旨在提供统一的编程模型,简化CPU、GPU和FPGA的跨架构开发工作。oneAPI基于开放的规范和标准,以鼓励不同厂商采用统一编程模型,同时在软件友好型环境中提高了易用性。

对于任何新的基于FPGA加速平台的开发,包括FPGA硬件设计、英特尔至强可扩展处理器就绪的软件堆栈以及应用工作负载等,都会遇到一个核心挑战,那就是如何分配从零开发和代码重用或IP授权之间的比例。

英特尔OFS为Linux内核提供定制化的软硬件基础设施,解决了软硬件及应用开发人员面临的许多痛点,包括开发FPGA设计(“拿来与定制”)所需的模块化、可组合代码,以及开源上游代码,从而让开源分销商能够为第三方和专有英特尔OFS平台提供本地支持。简而言之,英特尔OFS为硬件、应用和软件开发人员带来的价值分别是定制化、在整个英特尔FPGA平台的便利的可移植性以及主要操作系统厂商分销的本地支持。

现在,主板开发人员、原始设计制造商和客户都可以利用具有标准接口的统一基础设施开始他们的FPGA硬件开发。应用开发人员可以通过基于英特尔®OFS的不同平台之间更强大的可移植性实现更高的开发回报。由于可以使用英特尔的开源和上游代码,领先的开源软件厂商不仅能根据现有的或新的结合提供CPU和GPU拓展支持,还能提供FPGA拓展支持,从而满足客户需求。

加速落地

目前,FPGA正在典型行业场景中发挥重要作用。英特尔数据平台事业部副总裁兼云和企业加速部门总经理Manish Muthal表示,过去几年,由于网络转变、虚拟化和裸机云服务的出现促使企业将网络、安全和存储处理卸载至NIC卡,英特尔通过建立合作伙伴关系,利用互利共赢的联合开发、协同规划和联合创新合作模式,以客户至上为导向的合作成功开发出领先的多代Smart NIC。

比如在SmartNIC中,英特尔生态系统合作伙伴创建了基于英特尔FPGA SmartNIC C5000X的商用平台,提升数据中心的性能。通信服务提供商客户也在进行大规模网络改造,采用SmartNIC满足100Gig网络的性能需求。合作伙伴则创建了面向英特尔FPGA SmartNIC N5010的解决方案。

数据在推动市场和业务变革方面的潜力是前所未有的。FPGA将发挥关键作用,提供出色的解决方案以满足市场增长需求。面向云计算的C5000X平台和面向网络的N5010平台均可提供出色的性能和灵活性,丝毫不受现有硬件基础设施的限制。这样客户可以借助FPGA SmartNIC平台,根据业务增长情况进行调整,并在未来保护公司的硬件投资,帮助企业满足未来的需求。英特尔Smart NIC真正彰显了客户至上、创新平台和庞大的合作伙伴生态系统相结合的战略,这有助于跨基础设施和应用层加速云和企业数据中心创新。

5G、AI和智能边缘的重大趋势正在拉动云服务的空前增长。英特尔FPGA发挥着独特的作用,不仅能够通过Smart NIC和计算内存和存储加速基础设施,还能加速AI和大数据分析等应用。众所周知,微软是在数据中心部署FPGA的先驱,英特尔与微软合作基于Stratix 10 NX FPGA开发了AI优化型FPGA架构和实现,以满足超大规模AI的需求。

随着电信行业向5G的过渡,英特尔将网络基础设施视为最重要的机遇,2023年后者将为芯片市场贡献250亿美元的产值。FPGA网络芯片约占250亿美元TAM(潜在市场规模)的10%。得益于5G网络基础设施在全球的快速普及,2019年电信细分市场占据FPGA行业的最大份额。而5G拥有更丰富的应用和用例。多样化的5G用例将网络虚拟化从核心、RAN扩展到网络边缘。

英特尔数据平台事业部网络和可配置逻辑部门高级总监张嘉君博士表示,FPGA的可编程性允许用户适应不断变化的标准和全新的应用。这为网络运营商提供了巨大优势,因为他们可以提升网络的敏捷性、灵活性和可扩展性,从而快速开发创新型和增强型服务产品。

英特尔提供了包括FPGA、eASIC和ASIC在内的一系列自定义逻辑产品组合。例如通过将英特尔至强CPU、英特尔FPGA PAC N3000 SmartNIC卡和FPGA vRAN工作负载结合在一起,许多运营商客户成功推出了云无线接入网,并且构建了云无线接入产品。

凭借面向5G网络市场的全面的端到端产品组合,英特尔可以随客户不断演变,在多代产品迭代中打磨一款可重复的模型。Verizon是美国用户数量最庞大的移动运营商。Verizon最近与三星、WindRiver和英特尔联合发布了转型声明,将共同开发全球首款从核心到网络远端边缘的完全虚拟化端到端 5G 网络。

在合作过程中,英特尔提供了英特尔至强可扩展处理器、用于执行FEC加速和前传的英特尔FPGA PAC N3000、英特尔以太网网络适配器和英特尔FlexRAN 软件参考架构。这进一步证实了FPGA在运营商5G网络转型之旅中的重要价值。

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