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SDAccel開(kāi)發(fā)環(huán)境系統(tǒng)讓程序員也可以開(kāi)發(fā)令硬件工程師望而生畏的FPGA 作者 張國(guó)斌 猜猜以下三個(gè)場(chǎng)景和什么器件有關(guān)？ 場(chǎng)景一、老王吃了一頓自認(rèn)為有史以來(lái)最好吃的涼皮，莫名亢奮的他用手機(jī)拍下涼皮的照片并分享到微信上。 場(chǎng)景二、遠(yuǎn)隔千里的老張看到了老王的微信，用ipad打開(kāi)看老王拍的照片 場(chǎng)景三、某互聯(lián)網(wǎng)公司開(kāi)發(fā)人員在思考春節(jié)的搶紅包的幾種玩法，并考慮如何去實(shí)現(xiàn)規(guī)則，但是他要考慮規(guī)則改變給服務(wù)器帶來(lái)的巨大負(fù)載。 這幾個(gè)場(chǎng)景和什么器件有關(guān)？首先，這些場(chǎng)景肯定都是服務(wù)器有關(guān)了，服務(wù)器里有什么？CPU? GPU？ 恭喜你，答對(duì)了，傳統(tǒng)上，這些場(chǎng)景應(yīng)用都和CPU、GPU有關(guān)的。不過(guò)從現(xiàn)在乃至未來(lái)，服務(wù)器將也將采用另外一個(gè)器件，它，就，是，F(xiàn)PGA！ 為什么是FPGA？ “由于移動(dòng)互聯(lián)的普及，帶來(lái)了圖片處理、搜素、轉(zhuǎn)化等方面需求的暴漲，數(shù)據(jù)中心的功耗壓力非常大，要在1U 2U的同等機(jī)架上用傳統(tǒng)處理維持同能功耗難度非常大，所以數(shù)據(jù)中心的開(kāi)發(fā)人員一直在尋找可以提升性能同時(shí)不增加功耗的辦法。現(xiàn)在這個(gè)方法終于找到了。”在近日賽靈思SDAccel開(kāi)發(fā)環(huán)境媒體發(fā)布會(huì)上，賽靈思亞太地區(qū)銷售與市場(chǎng)副總裁楊飛出，“賽靈思在近日召開(kāi)的2014國(guó)際超算大會(huì)（Super Computing 2014）上宣布推出針對(duì)OpenCL™、C和C++的SDAccel開(kāi)發(fā)環(huán)境SDAccel，將單位功耗性能提高達(dá)25倍，從而利用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用加速。” 
針對(duì)OpenCL™、C和C++的SDAccel開(kāi)發(fā)環(huán)境SDAccel 實(shí)際上，多年以來(lái)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)維人員一直在不斷尋求更高的服務(wù)器性能。目前，他們主要是通過(guò)易于編程的多核CPU和GPU來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用，但CPU和GPU都遇到了單位功耗性能的瓶頸壁壘。從事海量數(shù)據(jù)中心應(yīng)用開(kāi)發(fā)（如密鑰加速、圖像識(shí)別、語(yǔ)音轉(zhuǎn)錄、加密和文本搜索等）的設(shè)計(jì)人員既希望GPU易于編程，同時(shí)又希望硬件具有低功耗、高吞吐量和最低時(shí)延功能。然而，多核CPU和GPU加速器在可擴(kuò)展性上存在嚴(yán)重的問(wèn)題：客戶希望用簡(jiǎn)單的全高度插入式PCIe開(kāi)發(fā)板作為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的應(yīng)用加速器。這種開(kāi)發(fā)板經(jīng)配置可運(yùn)行高功率圖形卡，但客戶同時(shí)希望功耗不超過(guò)25W，以便最大化可擴(kuò)展性并最小化總功耗。 最近賽靈思同瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）聯(lián)合開(kāi)展的一系列研究發(fā)現(xiàn)，基于FPGA的應(yīng)用加速想比CPU/GPU實(shí)現(xiàn)方案，單位功耗性能可提升25倍，而時(shí)延則縮短了50到75倍，與此同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)出色的I/O集成（PCIe、DDR4 SDRAM接口、高速以太網(wǎng)等）。換言之，F(xiàn)PGA能在單芯片上提供高能效硬件應(yīng)用加速所需的核心功能，并同時(shí)提供每個(gè)開(kāi)發(fā)板目標(biāo)功耗低于25W的的解決方案。
而中國(guó)BAT三巨頭之一的百度公司也是多年來(lái)在尋找更好的能效方案，對(duì)CPU、GPU和FPGA在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)查和對(duì)比，和在最近美國(guó)加州圣何塞舉行的2014年熱門(mén)芯片研討會(huì)上他們介紹了支持性調(diào)查結(jié)果。百度的結(jié)論如下： 1、中端FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)375 GFLOPS的性能，功耗僅為10-20W 2、基于FPGA的加速器可部署在所有類型的服務(wù)器中。 3、和CPU和GPU相比， FPGA在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）預(yù)測(cè)系統(tǒng)中性能更加出色。DNN系統(tǒng)用于語(yǔ)言識(shí)別、圖像搜索、OCR、面部識(shí)別、網(wǎng)頁(yè)搜索以及自然語(yǔ)言處理等各種不同應(yīng)用。 這是將賽靈思Kintex-7、Nvdia K10和英特爾至強(qiáng)處理器搜索對(duì)比：在多線程情況下，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢(shì)非常明顯，在這個(gè)百度開(kāi)發(fā)的400Gflop軟件定義加速器中，它采用的賽靈思Kintex®-7 480t-2l PCI Express FPGA開(kāi)發(fā)板可以插入到任何類型的1U或2U服務(wù)器中。在不同工作負(fù)載下，百度發(fā)現(xiàn)Kintex 7 FPGA開(kāi)發(fā)板的性能均比GPU高出4倍，比CPU則高出9倍，同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中功耗僅為10-20W。 不過(guò)百度指出應(yīng)用FPGA解決方案的一大壁壘就是開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，百度建議用好的工具解決這個(gè)問(wèn)題，這也是Xilinx SDAccel環(huán)境推出的主因之一。這個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境可以讓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員像開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)CPUGPU一樣開(kāi)發(fā)FPGA。 數(shù)據(jù)中心如何用FPGA？ 楊飛介紹說(shuō)，將FPGA應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心很簡(jiǎn)單，首先，將FPGA插入數(shù)據(jù)中心服務(wù)器PCIE插槽中，然后就可以利用賽靈思提供更多SDAccel環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)就可以了。
SDAccel配套提供編程器用Eclipse IDE以及一系列基于C語(yǔ)言的FPGA優(yōu)化庫(kù)和數(shù)據(jù)中心用現(xiàn)成商用平臺(tái)。現(xiàn)在已經(jīng)有Convey Computer、Alpha Data Parallel Systems和Pico Computing等公司可提供數(shù)據(jù)中心用加速板卡，2015年年初還將增加更多商用現(xiàn)貨（COTS）合作伙伴。 SDAccel庫(kù)包括內(nèi)置OpenCL函數(shù)、DSP、視頻和線性代數(shù)庫(kù)，能支持高性能低功耗實(shí)現(xiàn)方案。針對(duì)特定領(lǐng)域加速，賽靈思聯(lián)盟合作成員Auviz Systems公司還提供優(yōu)化的 OpenCV和BLAS SDAccel兼容庫(kù)。 應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員完全能在X86仿真空間下開(kāi)始使用SDAccel使其代碼開(kāi)始工作。一旦其確信其算法開(kāi)發(fā)人員就能對(duì)代碼進(jìn)行特性分析，找到受益于加速的代碼片段。然后開(kāi)發(fā)人員就可以利用這些有針對(duì)性的片段，無(wú)縫采用快速自動(dòng)生成的周期精確內(nèi)核仿真，從而實(shí)現(xiàn)加速。這些快速仿真可用來(lái)調(diào)試和優(yōu)化加速量，同時(shí)能在架構(gòu)層面工作。業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的應(yīng)用能方便地移植到主機(jī)/FPGA系統(tǒng)。SDAccel開(kāi)發(fā)環(huán)境可支持所有這些來(lái)自同一控制中心（cockpit）的活動(dòng)。 一旦應(yīng)用經(jīng)過(guò)初始調(diào)試和特性分析，需要硬件加速的關(guān)鍵功能可通過(guò)編譯實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真，加速功能運(yùn)行在基于CPU的RTL仿真器上。這時(shí)，軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)可觀察所得的性能，確定應(yīng)用能否滿足性能目標(biāo)要求。RTL仿真能準(zhǔn)確給出FPGA硬件加速的性能情況，這就能讓開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)得到很好的性能估算，而且能高度確保所得的FPGA配置能精確重現(xiàn)應(yīng)用源代碼的行為和結(jié)果。 楊飛介紹說(shuō)，以前軟件開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)新的功能的時(shí)候，需要硬件人員在硬件上進(jìn)行協(xié)調(diào)，現(xiàn)在，他們可以直接用FPGA進(jìn)行加速。“這是第一個(gè)在FPGA上提供完全類似CPU/GPU的運(yùn)行時(shí)間體驗(yàn)的開(kāi)發(fā)環(huán)境”他強(qiáng)調(diào)，“我們目前主要針對(duì)以X86為主的服務(wù)器架構(gòu)。” 性能表現(xiàn)突出 楊飛表示SDAccel的架構(gòu)優(yōu)化編譯器使軟件開(kāi)發(fā)者能夠優(yōu)化并編譯流媒體、低時(shí)延以及定制數(shù)據(jù)路徑應(yīng)用。SDAccel編譯器主要針對(duì)高性能賽靈思FPGA并支持OpenCL，C 和C++任意組合的源代碼。 SDAccel編譯器相比高端CPU性能提高達(dá)10倍，而功耗僅為GPU的1/10，同時(shí)能保持代碼的兼容性和一個(gè)傳統(tǒng)的軟件編程模式，以便于應(yīng)用移植并節(jié)約成本。根據(jù)客戶基準(zhǔn)，SDAccel編譯器相比同類競(jìng)爭(zhēng)FPGA解決方案，性能和資源效率均提升了3倍。SDAccel編譯器自動(dòng)生成的設(shè)計(jì)甚至比手動(dòng)編碼的RTL設(shè)計(jì)方案的性能還高，在某些情況下可高出20%之多。 SDAccel編譯器可以自動(dòng)對(duì)應(yīng)用源代碼實(shí)施一系列基礎(chǔ)甚至高級(jí)的優(yōu)化方案。下表列出了SDAccel編譯器針對(duì)加速應(yīng)用所進(jìn)行的一系列優(yōu)化。
SDAccel編譯器針對(duì)加速應(yīng)用所進(jìn)行的一系列優(yōu)化。 楊飛表示SDAccel采用的是已被1,000多名程序員廣泛使用的基礎(chǔ)編譯器技術(shù)。SDAccel充分利用該編譯器的功能，使軟件開(kāi)發(fā)人員能夠利用新的或現(xiàn)有的OpenCL、C和C++ 代碼創(chuàng)建高性能加速器，并針對(duì)計(jì)算搜索、圖像識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、編碼轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)壓縮和加密等各種數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)流和流水線技術(shù)進(jìn)行了精心優(yōu)化。 楊飛表示，即使SDAccel與市場(chǎng)同類FPGA對(duì)比，效果也很突出，“這是因?yàn)槲覀儗ｉT(mén)針對(duì)FPGA開(kāi)發(fā)的高層次綜合工具，所以即使用同樣的open CL語(yǔ)言，我們的效果也很突出。”如下圖所示，用SDAccel開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)的FPGA應(yīng)用，其面積竟然比手動(dòng)編寫(xiě)的代碼還要好。
所以，有好的FPGA，還需要有好的開(kāi)發(fā)工具，才能將其特性發(fā)揮出來(lái)，如下圖所示，“用SDAccel開(kāi)發(fā)環(huán)境讓賽靈思FPGA在單位功耗性能和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便性方便實(shí)現(xiàn)了魚(yú)與熊掌兼得的效果。”楊飛強(qiáng)調(diào)。“我們估計(jì)一個(gè)FPGA板卡相當(dāng)于四個(gè)傳統(tǒng)服務(wù)器。”
在單位功耗性能和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便性方便實(shí)現(xiàn)了魚(yú)與熊掌兼得 實(shí)際上，不僅是數(shù)據(jù)中心可以應(yīng)用SDAccel開(kāi)發(fā)環(huán)境，其他一些應(yīng)用如工業(yè)、物流、醫(yī)療等與大數(shù)據(jù)處理相關(guān)的應(yīng)用都可以應(yīng)用到這個(gè)工具，楊飛表示隨著高級(jí)工藝的采用，F(xiàn)PGA已經(jīng)變得日益強(qiáng)大，賽靈思現(xiàn)在一個(gè)重點(diǎn)是降低FPGA的開(kāi)發(fā)門(mén)檻，用以高級(jí)抽象工具拓展FPGA的用戶群，賽靈思會(huì)推動(dòng)以軟件定義為主的產(chǎn)品系列，自今年5月推出SDNet軟件定義規(guī)范環(huán)境后，現(xiàn)在又推出了SDAccel開(kāi)發(fā)環(huán)境，未來(lái)還會(huì)推出更多SDX開(kāi)發(fā)環(huán)境，目前SDAccel已經(jīng)可以供貨，了解更多信息請(qǐng)點(diǎn)擊這里 china.xilinx.com/sdaccel 。 這里有個(gè)視頻介紹了SDAccel開(kāi)發(fā)環(huán)境 |
