自適應計算架構可應對靈活多變的創新

王瑩

編者按：數據中心的發展趨勢是什么？如何用芯片、板卡和軟件平臺應對千變萬化的創新應用？2019年12月，“第3屆賽靈思開發者大會（XDF）亞洲站”在京盛大舉行，賽靈思領航人Victor Peng做了解答。

賽靈思的目標是“打造靈活應變、萬物智能世界”。為此，公司有三大戰略：①數據中心優先;②加速核心市場發展;③驅動自適應計算。歸根結蒂，是讓更多的軟硬件開發者能使用并受益于賽靈思強大的自適應計算平臺。

1數據中心迎來顛覆性變革

爆炸性增長的數據帶來了數據中心顛覆性的變革：需要高吞吐量的性能和極低的延時，同時要面對摩爾定律消亡帶來的性能提升瓶頸。圖靈獎得主John Hennessy和David Patterson最近都提到，架構創新已經進入到一個新的黃金時代。因為傳統架構對于現在的任務應用已經應付不了，行業亟需架構創新。為此，賽靈思的產品和平臺在特定領域架構（DSA）、異構計算加速、近網絡計算和近存儲數據方面實現了創新。

賽靈思的數據中心業務發展強勁.在2019年9月結束的最新的一個季度.業務同比增長24%，季度增長92%。賽靈思的主要做法是打造生態系統，加速計算、存儲、搜索、網絡等應用，推出分布式自適應計算。

1）打造生態系統

目前，賽靈思已經培訓工業界及學術界7干多名開發人員，約有800多個加速器合作伙伴，而且有95個發布的應用。

2）加速計算、存儲、搜索、網絡等應用

從計算加速和傳統CPU比較的例子可見，傳統的數據中心服務器有1個CPU連接網絡，通過NIC（網絡接口控制器）和PCle連接到存儲設備。而當CPU擁有賽靈思FPGA，以及即將推出的賽靈思Versal ACAP（自適應計算加速平臺）的加速，將會實現速度的巨大提升。

在存儲加速領域，賽靈思也在廣泛部署，已經和IBM、美光、三星等開展了合作，部署加速存儲和計算存儲，從而可以實現數據在最近的地方處理。

眾所周知，很多地方的數據增長是呈指數級的，存儲和搜索的響應是非常關鍵的，賽靈思的產品也可以加速。具體地，可以加速壓縮/解壓縮、解密。賽靈思單一的加速器可以把加速性能提升4倍，而且是非常線性的。

另外，賽靈思也提供網絡加速，例如在SmartNIC行業剛剛開始采用網絡加速的領域。SmartNICN以通過移除惡意數據包提供更好的安全性，并通過將網絡堆棧從CPU卸載到SmartNIC來加速數據包處理。這不僅打破了網絡性能瓶頸，而且縮短了CPU應用執行的周期，從而提高了TCO（總擁有成本）。

對于雙插槽DC（數據中心）服務器，使用基于賽靈思的智能網卡，數據吞吐量加快了3-6倍，CPU利用率提高了1.5倍。賽靈思芯片是軟硬件可編程的，因此可實現用1個開發板就能定制化地滿足不同客戶部署的需求。

3）數據中心的未來：分布式自適應計算

數據中心的未來發展趨勢是什么？首先，業界對數據中心的需求是不斷增長的。數據中心分為公有云、私有云、混合云或企業云等。其次，數據中心運營商們都想大幅提升數據集的利用率，提高高性能，并減少能耗，降低OPEX（資本性支出）/TCO。這可以通過可分解和可組合的方式實現，具體地，使用Sma-rtNIC、固態硬盤和計算加速器將資源分解為單獨的CPU庫來實現，然后根據需要組合這些資源，以滿足任何工作負載的需要。

例如，如果控制和網絡密集型工作負載是基于CPU的，只要把更多資源分配給CPU即可。對于工作與計算為基礎的項目，例如AI網絡等，也可以給這種計算網絡分配更多資源。如果與技術分析比較相關的，也可以把這些資源分配給這種計算網絡。所以ACAP可以針對專用需求來分配更多的資源，以及想要加速的相關數據集，ACAP就可以配置好，而且這是動態的，可以較高程度地來利用現有的技術，不管是CPU、存儲數據，還是加速器，ACAP都可以提升其性能。

ACAP有三大價值，①TCO方面，可動態優化工作負載，加速和提高加速器的高利用率;②延時低;③加速可以定制化，即用戶可以采用所有新的創新，諸如用神經元網絡（NN）優化，而不用添加額外的部件/器件。

2加速核心市場發展

包括汽車、醫療等。以汽車行業為例。賽靈思在汽車業有大量的創新，自動駕駛、ADAS等方面是有非常多的應用。十多年來，賽靈思在汽車業已出貨了1.7億片以上的器件。其中.ADAS領域有6700萬片。賽靈思擁有200家ADAS和自動駕駛客戶群，包括全球主要的Tierl（一級供應商）、整車廠和初創企業。 賽靈思最近發布的ZU7和ZU11 Zynq UtraScale+產品符合汽車安全、質量和可靠性要求，滿足了在L2到L4自動駕駛車輛的功率限制范圍內對數據聚合、預處理和傳感器數據分布的需求。

3軟硬件的平臺轉型

多年來.賽靈思持續進行硬件和軟件的平臺化轉型。

3.1硬件平臺化

賽靈思宣布正研發7nm架構及全新的產品系列Versal，Versal將采用自適應計算架構（ACAP）。2019年，Versal芯片已經開始在早期客戶中實現（如圖1）。

開發了加速器卡，并用于多個行業。2018年推出Alveo PCI加速器卡。迄今賽靈思一共有四大產品系列：U200，U250，U280和US0。其中，U280集成了HBM存儲，提供超高性能。U50集成了第2代HBM2，實現小型封裝的突破，是業界第1款半高半長、支持PCIeGen4的自適應加速器卡。

目前，賽靈思最先進的處理器芯片是擁有360億晶體管的7nm Versal ACAP.已發貨給客戶和合作伙伴。同時賽靈思現在也有新的Ve rsal PCIe通用開發板，已經準備就緒，可以使開發者以10倍速度開始構建和加速應用。

3.2軟件平臺化

為了擁有一個完整的平臺，除了硬件平臺外，也需要軟件的統一開發平臺，2019年10月，賽靈思推出了Vitis。是用于從嵌入式終端設備到邊緣和云應用的統一開發環境。

Vitis可以支持異構架構.例如Zynq SoC和VersalACAP，開發人員在開發軟件時利用自己所習慣的方式，在無需硬件專業知識的情況下就可獲得優化硬件的好處。

總之，硬件優化可以簡單到用幾個關鍵的加速內核就可利用強大的特定領域架構（DSA）。Vitis配合賽靈思開發板后，現可以免費下載。