這種壓力來(lái)自?xún)蓚�(gè)方面。一個(gè)是匯聚到云端的數據量越來(lái)越大——據IDC的統計，2016年全球數據存量為16ZB，預計到2020年將超過(guò)40ZB，而2025年則會(huì )激增至160ZB。另外一個(gè)，與指數級增長(cháng)的數據量相伴隨的，則是對這些數據計算和處理需要的高速增長(cháng)，特別是隨著(zhù)人工智能（AI）的興起，對云端計算資源的消費量大大增加。數據量和數據處理要求兩個(gè)因素疊加，使得我們對云端算力需求的增速超出想象。
在過(guò)去相當長(cháng)的一段時(shí)間，這個(gè)世界上算力提升的動(dòng)力主要來(lái)自于摩爾定律，每18-24個(gè)月提升一倍的集成電路性能，奠定了當今這個(gè)互聯(lián)世界的基石。而時(shí)至今日，受制于半導體工藝的極限，摩爾定律定義的速度已經(jīng)減緩，由其帶來(lái)的紅利正在消失。因此在面對云計算越來(lái)越大的“胃口”時(shí)，在摩爾定律之外，人們需要尋找另一個(gè)能讓算力加速的支點(diǎn)，這個(gè)支點(diǎn)就是新的計算架構。
FPGA的勝出
一個(gè)理想的高性能云計算加速架構，概括起來(lái)需要有以下幾個(gè)特性：第一是高吞吐能力，以應對海量數據處理的需要；第二是低延時(shí)，能夠對實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)設備進(jìn)行響應；第三是高性能功耗比，為更高密度的云計算創(chuàng )造可能；最后是靈活性，能夠跟上不斷演化的算法和應用的腳步。
目前可用于云計算加速的架構無(wú)非是以下幾種：CPU、GPU、FPGA和AICS。如果按照上述的“任職條件”去仔細篩選，人們發(fā)現與其他幾種結構相比，FPGA就是那個(gè)要找的Mr. Right！
- 在性能方面：由于FPGA擺脫了馮·諾依曼結構的限制，可以針對特定應用算法定制硬件架構，具備ASIC高性能的特質(zhì)，可支持更高的數據吞吐。
- 在延遲性方面：FPGA不但可以實(shí)現數據并行，還可以實(shí)現流水線(xiàn)并行，可達到微秒級的延時(shí)，這也是其與同樣高算力的GPU相比最明顯的一個(gè)競爭優(yōu)勢。
- 在可擴展性方面：基于FPGA的可編程性和豐富的IO管腳，其可以在數據中心里面扮演多面手，除了計算，也可支持和適應存儲、網(wǎng)絡(luò )等方面算法的演進(jìn)發(fā)展要求。
- 在功耗方面：更先進(jìn)的半導體工藝，加之優(yōu)化的算法，令FPGA可在特定應用中實(shí)現比CPU、GPU更佳的性能功耗比。
- 在靈活性方面：這自然是FPGA與ASIC相比最引以為豪的強項，而且FPGA適于與CPU等計算架構結合形成CPU+FPGA異構計算平臺，讓最合適的架構去做其最擅長(cháng)計算加速，以實(shí)現系統最優(yōu)。
圖1，不同計算架構的性能比較（資料來(lái)源：華為云）
FPGA上云之路
正是由于FPGA上述的這些優(yōu)勢，讓人們將它視為實(shí)現云計算加速的重要技術(shù)路徑，FPGA的上“云”之旅也由此開(kāi)啟。從FPGA在云計算中的實(shí)際“戰果”來(lái)看，它確實(shí)沒(méi)有讓人們失望！
比如，2014年微軟在一篇論文中，分享了微軟Catapult項目團隊通過(guò)在數據中心1632臺服務(wù)器中部署FPGA，對必應（Bing）搜索引擎的文件排名運算進(jìn)行硬件加速，獲得了高達95%的吞吐量提升。這樣的事實(shí)，也讓其他云計算平臺部署FPGA的信心大增。
騰訊是國內較早嘗試FPGA計算加速的互聯(lián)網(wǎng)公司，在他們的JPEG至WebP網(wǎng)絡(luò )圖片的轉碼嘗試中，FPGA處理延時(shí)相比CPU降低20倍，處理性能則是CPU的6倍，而FPGA單位成本僅為通用CPU的1/3。由此，騰訊也成為了FPGA云計算加速最積極的擁躉之一。
近年來(lái)隨著(zhù)AI應用的興起，越來(lái)越多的公司開(kāi)始嘗試將FPGA應用在云端深度學(xué)習算法加速中，且頗有斬獲。如百度從2013年就開(kāi)始嘗試將FPGA應用在DNN，RNN，CNN，LSTM等深度學(xué)習模型中，目前百度已經(jīng)開(kāi)放了基于FPGA的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )加速服務(wù)，單卡提供3Tops的定點(diǎn)計算能力，支持典型深度卷積網(wǎng)絡(luò )算子，為VggNet、GoogLeNet、ResNet等提供高效加速。可見(jiàn)，今天AI已經(jīng)成為加速FPGA在云計算中部署的重要推手。
圖2，FPGA在網(wǎng)絡(luò )圖片轉碼加速應用中，與CPU相比優(yōu)勢明顯（圖片來(lái)源：騰訊云）
FPGA云服務(wù)
隨著(zhù)FPGA在云計算中越來(lái)越受寵，一種基于FPGA的新型的云服務(wù)也應運而生，這就是FPGA云服務(wù)。它已經(jīng)成為亞馬遜、百度云、騰訊云、華為云等云計算頭部玩家的一致選擇。
FPGA云服務(wù)器就是在云計算環(huán)境中配備FPGA的計算實(shí)例，用戶(hù)可以通過(guò)購買(mǎi)FPGA實(shí)例，快速讓自己特定的應用實(shí)現FPGA硬件加速。可以說(shuō)，云計算廠(chǎng)商在引入FPGA之初，可能是為了滿(mǎn)足自己一個(gè)或幾個(gè)特定云計算加速所需，而在廣泛部署之后會(huì )發(fā)現，完全可以將FPGA計算資源“打包”起來(lái)，作為一種可以變現的云服務(wù)，銷(xiāo)售給云計算用戶(hù)。
而對于云計算用戶(hù)來(lái)說(shuō)，就像當初購買(mǎi)云服務(wù)器而無(wú)需自己運維一個(gè)復雜的IT計算系統一樣，現在當需要在某個(gè)應用算法中采用FPGA進(jìn)行加速時(shí)，也不需要去構架和開(kāi)發(fā)自己的FPGA硬件系統，而通過(guò)購買(mǎi)云計算廠(chǎng)商的FPGA云服務(wù)即可實(shí)現！
FPGA云服務(wù)的出現不僅讓云計算廠(chǎng)商可變現的服務(wù)組合更為豐富，往深一層去想，此舉也會(huì )對未來(lái)FPGA的應用開(kāi)發(fā)生態(tài)產(chǎn)生深刻影響，進(jìn)一步降低FPGA用戶(hù)的門(mén)檻，讓FPGA加速服務(wù)觸手可及。實(shí)際上，已經(jīng)有“不差錢(qián)”的云服務(wù)廠(chǎng)商在沿著(zhù)這個(gè)方向去發(fā)力。
綜上所述，從當初在一眾計算架構比拼中脫穎而出，到在實(shí)戰中證明自己的實(shí)力，再到今天成為新興云服務(wù)的核心，FPGA在云計算中的存在感越來(lái)越強，而這一切僅僅是個(gè)開(kāi)始。未來(lái)你還有什么奇思妙想需要“加速”，盡可以來(lái)一試。
圖3，為了因應云計算所需，安富利開(kāi)發(fā)的基于Xilinx FPGA的加速解決方案（圖片來(lái)源：安富利）
