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英特尔FPGA为智慧互联加速,基于10纳米制程的下一代产品正在研发

作者:单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2017-11-20

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在互联世界,数据的需求呈现出指数型增长。从用户角度看,预计2020年平均一个互联网用户每天会产生1.5GB数据量,无人驾驶车辆每天产生4TB数据量,联网的飞机每天产生5TB数据量,智慧工厂每天产生1PB数据量,云视频提供商产生的数据量更是惊人,达到750PB。从终端角度看,物联网的兴起,使得联网设备的数量也出现了爆发性增长,现在的联网终端数量约为80亿个,到2020年,这一数字将达到500亿个,这些设备对带宽均有较高需求。从数据中心角度看,思科预测,到2020年,数据流量会达到2300EB/每年。这些都意味着网络必须在更高的速度上处理更多的数据,数据中心也必须能够做更复杂的计算,处理更大的数据集,即使嵌入式终端和设备也要做很多本地计算。

在此过程中,计算的瓶颈出现了,CPU很难单独应对。一是功耗的限制,再就是我们还需要时刻应对快速变化的新技术带来的计算环境的变化。仅仅依靠计算平台同质的扩展,几乎没有办法满足所有这些需求,此时“CPU+FPGA”异构计算架构应运而生。该架构中CPU仍然是处理能力的核心引擎,再加上专用的加速器,如FPGA或ASSP、ASIC,就可以实施一些专用的功能,实现最好的计算效率。现在,英特尔CPU+FPGA架构已是市场上应用最多的方案之一,它可以提供本地计算、连接和分析能力,一方面能够带来最大的编程灵活性,支持高度差异化的产品,在现场进行重新配置,虚拟加速任何数字的算法。另一方面,还可以支持并行运算,特别适合未来的计算世界。更重要的是,异构计算的吞吐量、速度和能耗角度均优于CPU或者GPU十倍。回顾英特尔对原FPGA重要厂商Altera的收购,也许早在那个时候英特尔就已经开始布局了。

突破现有计算限制,CPU+FPGA加速无处不在
现在,关系数据库无处不在,无论是电子商务还是广告业务,数据分析都变得至关重要。据英特尔可编程解决方案事业部(Intel PSG)副总裁兼客户体验事业部总经理Rina Raman女士介绍,Swarm64是英特尔的重要合作伙伴,该公司使用英特尔最新的FPGA解决了数据库加速这个难题,在吞吐量、能耗和更高的性能上均有良好表现。Swarm64可扩展数据加速器是一个无缝的插件,其中,实时数据分析能力提升5倍,传统数据仓储能力提升2倍,存储压缩能力提升3倍。

图1  异构架构中的FPGA通过硬件卸载处理器或处理数据

在基因测序领域,数据量大得惊人,算法也非常复杂,由于分析能力的限制,很多研究项目被迫推迟。Rina Raman女士说:“英特尔通过与Broad Institute的合作,在基因测序上已经取得了突破。双方共同开发出的基因分析工具——GATK,是一个用于基因分析的软件工具包,专门用于分析大吞吐量测序的数据。”其中,Pair-HMM算法提速50倍,总业务流提速1.2倍。

Rina Raman女士表示:“在数据处理的三个阶段中,FPGA对变体分析的阶段进行了加速,这个阶段也是最影响性能的一个阶段。旁路加速可以把计算密集性的任务分流到FPGA,FPGA直接将结果提供给CPU。该工具包的软件和参考设计使用了OpenCL,它有可能加速并改变整个基因测序和分析行业。”现在,研究人员可以在过去1/3的时间里获得5倍的数据量。通过这样的合作关系,英特尔帮助Broad Institute实现了Pair-HMM提速50倍,整个通道能力提高了1.2倍。

NVMe是非易失性存储器的规范,主要针对NVND闪存和下一代固态的储存技术。Rina Raman女士表示,与Attala的合作是一个FPGA内建加速的应用,所有数据在硬件层面通过FPGA进行处理和加速,然后再进入到Ethernet Fabric。相比之前的解决方案,读写速度时延降低了57~72%,Attala的解决方案节省了所有软件的开支,这种硬件解决方案有很强的适应能力,提高了性能,同时降低了云服务提供商的运行成本。在企业级的端到端数据保护上,可以做到双重的冗余保护。

强大产品阵容支持现有需求,下一代产品Falcon Mesa将有更大突破
Rina Raman女士说:“英特尔现在有一系列的产品可供选择,Stratix 10的最新产品已经可以提供样片、Arria 10终端系列产品全面量产、Cyclone 10和Max 10已经大批量出货。”

图2 英特尔FPGA专为加速计算而生

10纳米制程意味着更好的芯片将拥有更好的性能和更低的功耗,尤其是在自排列双重图( self-aligned double pattern)的制程上,英特尔一直处于领先地位。Rina Raman女士表示,英特尔正在把这种技术优势应用在下一代FPGA产品中。公司最新一代FPGA产品,研发代号Falcon Mesa,将率先使用英特尔10纳米技术,也是业界最先进的FinFET制程技术。新产品支持下一代HBM,转换速率有望达到112G,支持的带宽将达到16TB。这也是Altera并入英特尔以后即将开发出来的第一代使用英特尔10纳米制程技术的产品。

可以看到,整合之后,现在的Intel PSG在高性能计算上拥有了更强的技术能力,新产品的研发也在快速推进,并在智慧互联加速上已经取得重大进展。

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