在2016年11月中旬舉辦的“2016年超算大會(huì)上”，FPGA大廠Xilinx發(fā)布了可重配置加速棧(ReconfigurableAcceleraTIon  Stack)。配合可重構(gòu)的FPGA，這個(gè)架構(gòu)能解決可重構(gòu)計(jì)算中的編程困難問題，并加速可重構(gòu)計(jì)算生態(tài)的建設(shè)。

日前，Amazon云服務(wù)AWS更是基于Xilinx高端Ultrascale+  FPGA推出了使用在云端的FPGA解決方案。眾多巨頭的參與，讓誕生幾十年的可重構(gòu)計(jì)算再度成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。但是你真的懂得可重構(gòu)計(jì)算嗎?

可重構(gòu)計(jì)算的起源

自從計(jì)算機(jī)誕生以來，科學(xué)家們就意識(shí)到計(jì)算機(jī)架構(gòu)對(duì)于其處理能力有著至關(guān)重要的影響。事實(shí)上，從來不存在一種對(duì)所有運(yùn)算任務(wù)都是最優(yōu)解的計(jì)算機(jī)架構(gòu)。這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)的運(yùn)算單元由芯片構(gòu)成，而在芯片的面積固定的情況下計(jì)算機(jī)架構(gòu)就決定了如何分配芯片的資源。

舉例來說，機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用(尤其是CNN)會(huì)比較注重并行運(yùn)算，因此最適合的架構(gòu)是能處理并行運(yùn)算的多核架構(gòu)，而每個(gè)核的運(yùn)算能力并不需要特別強(qiáng)。另一方面，在一些科學(xué)及工業(yè)運(yùn)算上，計(jì)算是無法并行執(zhí)行的，于是最適合的架構(gòu)是單核架構(gòu)并把這個(gè)核做到非常強(qiáng)。

根據(jù)數(shù)據(jù)和指令的執(zhí)行方式，60年代著名的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Flynn提出了架構(gòu)的分類方法，一共有單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)，單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)，多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)以及多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)四種。

正是由于對(duì)于不同的任務(wù)有最合適的架構(gòu)，計(jì)算機(jī)科學(xué)家們開始構(gòu)思如何使用一種靈活的架構(gòu)解決這個(gè)問題。可重構(gòu)運(yùn)算(reconfigurable  compuTIng)從上世紀(jì)60年代由Gerald Estrin提出，到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)。

在Estrin最初的設(shè)想中，可重構(gòu)運(yùn)算包括一個(gè)作為中央控制單元的標(biāo)準(zhǔn)CPU，以及眾多可重構(gòu)的運(yùn)算單元，這些可重構(gòu)運(yùn)算單元由中央CPU控制，在執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)(如圖像處理，模式識(shí)別，科學(xué)運(yùn)算等等)時(shí)配置成對(duì)應(yīng)的最優(yōu)架構(gòu)(即硬件編程)。

在理論上這個(gè)構(gòu)想非常成功：2001年，Reiner  Hartenstein的論文中提到，即使可重構(gòu)運(yùn)算使用的運(yùn)算單元(FPGA)時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)的CPU，但是可重構(gòu)計(jì)算的綜合運(yùn)算能力卻可以超越CPU數(shù)倍，而功耗也遠(yuǎn)小于CPU。

可重構(gòu)計(jì)算的例子(使用FPGA作為可重構(gòu)計(jì)算單元)

然而，可重構(gòu)運(yùn)算在當(dāng)時(shí)并沒有普及。從可重構(gòu)運(yùn)算提出直到二十一世紀(jì)初的40年正是摩爾定律的黃金時(shí)期，工藝一年半就更新一次，因此架構(gòu)上更新帶來的性能增強(qiáng)可能還不如工藝更新來得強(qiáng)。

當(dāng)時(shí)最流行的就是靠摩爾定律狂飆突進(jìn)來實(shí)現(xiàn)處理器運(yùn)算能力的進(jìn)化，因此與舊架構(gòu)相差很大的可重構(gòu)運(yùn)算并未得到重視：花五年時(shí)間研發(fā)的可重構(gòu)計(jì)算芯片很可能性能還不及依靠摩爾定律提升性能的傳統(tǒng)架構(gòu)CPU。

同時(shí)，由摩爾定律帶來的CPU性能增長(zhǎng)完全可以滿足當(dāng)時(shí)運(yùn)算的需求。因此當(dāng)時(shí)可重構(gòu)運(yùn)算還只是停留在學(xué)術(shù)圈子里的精致理論，業(yè)界推廣的動(dòng)力并不大。

另一個(gè)可重構(gòu)運(yùn)算普及的障礙是使用難度。傳統(tǒng)CPU上編程使用抽象的高級(jí)語言(如C++，Java等等)描述，已經(jīng)有成熟的體系。然而可重構(gòu)計(jì)算需要的硬件編程通常使用硬件描述語言(Verilog，VHDL等等)，對(duì)于程序員來說需要大量的時(shí)間才能掌握。

這樣的話可重構(gòu)計(jì)算的生態(tài)就無法發(fā)展：門檻高意味著做的人少，做的人少意味著知名度低，相關(guān)項(xiàng)目數(shù)量少，這又導(dǎo)致了無法吸引到開發(fā)者參與項(xiàng)目。

異構(gòu)計(jì)算與可重構(gòu)計(jì)算

在今天，摩爾定律遇到了瓶頸，因此可重構(gòu)計(jì)算普及的第一個(gè)障礙正在慢慢消失。摩爾定律的瓶頸第一來自于經(jīng)濟(jì)學(xué)，第二來自于物理定律。從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度，本來摩爾定律的目標(biāo)就是通過工藝制程進(jìn)步縮小特征尺寸讓相同功能的芯片需要的晶圓面積更小。工藝制程進(jìn)步所需的研發(fā)成本和mask制作的NRE成本上升，而每塊芯片的制造成本下降

。在之前的幾十年里，工藝制程研發(fā)成本和mask制作的NRE成本上升平攤到每塊芯片中不會(huì)抵消太多芯片制造成本的下降，從而使用新工藝的芯片的總成本相對(duì)于舊工藝會(huì)下降。然而，在最新的工藝中，由于新工藝的mask  NRE成本非常高，生產(chǎn)的芯片必須出貨量非常大才能保證攤薄NRE成本上升，這對(duì)于很多芯片設(shè)計(jì)公司來說風(fēng)險(xiǎn)很大。因此經(jīng)濟(jì)學(xué)角度對(duì)于摩爾定律的驅(qū)動(dòng)力大大下降了。

從物理學(xué)角度來說，障礙主要來源于量子效應(yīng)和光刻精度。當(dāng)特征尺寸縮小到10nm的時(shí)候，柵氧化層的厚度僅僅只有十個(gè)原子那么厚，在那個(gè)時(shí)候會(huì)產(chǎn)生諸多量子效應(yīng)，導(dǎo)致晶體管的特性難以控制。

另一方面，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，整個(gè)社會(huì)產(chǎn)生的運(yùn)算需求迅猛增加。這一點(diǎn)與摩爾定律遇到的瓶頸此消彼長(zhǎng)，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)以及半導(dǎo)體行業(yè)不得不停下來仔細(xì)思考在除了繼續(xù)無腦改進(jìn)CPU制造工藝之外，還有沒有其他滿足運(yùn)算需求的辦法。

很自然地，大家想到了計(jì)算機(jī)架構(gòu)這件事。目前在云端的計(jì)算五花八門，包括機(jī)器學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)庫，圖像處理，金融運(yùn)算等等。為什么運(yùn)算能力不足?因?yàn)榇蠹叶枷胍獔D方便，只用通用的CPU來處理所有的任務(wù)。

前面已經(jīng)提到，CPU的架構(gòu)并不適合所有任務(wù)，只是因?yàn)樵诖髷?shù)據(jù)時(shí)代來臨前CPU性能夠強(qiáng)而且編程夠方便所以大家也沒有想要試試其他的架構(gòu)(當(dāng)然在圖形加速方面用的是GPU，不過類似的例子并不普遍)。今天，顯然光CPU已經(jīng)不足以滿足所有運(yùn)算的需求了，所以可以根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)來設(shè)計(jì)專用加速器，計(jì)算機(jī)由CPU控制并在執(zhí)行該任務(wù)時(shí)把相應(yīng)的運(yùn)算丟給加速器來完成。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)量以指數(shù)上升(上圖)，而摩爾定律卻遇到了瓶頸(下圖)，晶體管性能增長(zhǎng)有限

這樣的架構(gòu)叫做異構(gòu)計(jì)算，即用各種不同的的運(yùn)算單元去完成相應(yīng)的任務(wù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的用同一個(gè)運(yùn)算單元(CPU)去完成所有運(yùn)算。

異構(gòu)計(jì)算比起可重構(gòu)計(jì)算來說，由于加速器的結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)定義好的，因此無需使用者(程序員)再次用硬件語言去配置它，所以普及起來比起可重構(gòu)計(jì)算要容易不少。然而，異構(gòu)計(jì)算也存在一個(gè)問題：如果使用者需要臨時(shí)換一個(gè)應(yīng)用，怎么辦?臨時(shí)安裝對(duì)應(yīng)的加速卡很難滿足需求，因?yàn)榧铀倏◤挠嗁彛惭b調(diào)試到最后能用需要很長(zhǎng)的時(shí)間，換句話說，異構(gòu)計(jì)算的靈活性是受到限制的。

從另一個(gè)角度來說，如果可重構(gòu)計(jì)算能夠突破編程困難這個(gè)瓶頸，那么在大數(shù)據(jù)時(shí)代一定會(huì)成為計(jì)算機(jī)的重要部分。為了解決編程困難問題，目前業(yè)界和學(xué)界都在開發(fā)能把高級(jí)語言(如C語言)直接轉(zhuǎn)化為硬件的高級(jí)綜合(high-level  synthesis tool)工具。除此以外，OpenCL框架也是讓程序員直接編程硬件的可行道路。但是，直到最近，可重構(gòu)計(jì)算的生態(tài)還沒有起來。

大數(shù)據(jù)時(shí)代可重構(gòu)計(jì)算開始發(fā)力

近日，可重構(gòu)計(jì)算進(jìn)入了超級(jí)計(jì)算機(jī)業(yè)界的焦點(diǎn)，Intel收購FPGA制造商Altera，并且預(yù)期到2020  年將會(huì)有三分之一的云端處理器使用CPU-FPGA的混合結(jié)構(gòu)。FPGA巨頭Xilinx也不甘落后，于11月中旬在2016年超算大會(huì)上發(fā)布了可重配置加速棧(Reconfigurable  AcceleraTIon Stack)。配合可重構(gòu)的FPGA，該架構(gòu)旨在解決可重構(gòu)計(jì)算中的編程困難問題，并加速可重構(gòu)計(jì)算生態(tài)的建設(shè)。

在可重配置加速棧中，Xilinx提供了幾款流行應(yīng)用框架的整合，包括Caffe(深度學(xué)習(xí)應(yīng)用)，F(xiàn)FMPEG(視頻處理)以及SQL(數(shù)據(jù)庫)。通過這樣的整合，云端服務(wù)器的程序員無需使用Verilog/VHDL硬件描述語言就可以在可重配置加速棧中使用FPGA資源加速這些框架中的應(yīng)用。除此之外，Xilinx還提供了各種庫，通過在程序中調(diào)用這些庫也可以實(shí)現(xiàn)更靈活地用FPGA硬件加速程序。

Xilinx推出的Reconfigurable AcceleraTIon Stack

這些用于云端的FPGA將會(huì)使用部分重配置方案。通常FPGA配置過程包括硬件描述語言的綜合，布局布線，最后產(chǎn)生比特流文件并寫入以完成配置。在這個(gè)過程中，綜合以及布局布線花費(fèi)的時(shí)間非常長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)小時(shí)，而最后比特流文件寫入以及配置可以在一秒內(nèi)完成。

用于云端的FPGA方案為了實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)用切換，預(yù)計(jì)將會(huì)使用硬IP(即針對(duì)某應(yīng)用硬件加速的比特流)，并在需要使用該應(yīng)用時(shí)快速寫入該比特流。在未來，云端FPGA的生態(tài)預(yù)計(jì)將不止包括Xilinx，還會(huì)包括許多第三方IP提供商，最后形成類似App  Store的形式讓使用者方便地選購對(duì)應(yīng)的硬件加速方案并實(shí)時(shí)加載/切換。

Xilinx FPGA硬件也很強(qiáng)，可以非常高效地實(shí)現(xiàn)各種計(jì)算。例如，實(shí)現(xiàn)相同的性能，使用FPGA加速器僅需要CPU服務(wù)器所占空間的1/12，  功耗為CPU服務(wù)器的1/12，而成本也僅為CPU服務(wù)器的1/10。

在云服務(wù)商這邊，Amazon云服務(wù)也于近日推出了使用在云端的FPGA解決方案：EC2 F1。該解決方案使用Xilinx的高端Ultrascale+  FPGA(包含250萬邏輯單元以及6800個(gè)DSP核)，并為每塊FPGA芯片配備64GB的DDR4內(nèi)存，以及與CPU進(jìn)行接口的專用PCIe  x16界面。該FPGA將會(huì)接入服務(wù)器，并為相應(yīng)應(yīng)用做加速。另外，F(xiàn)PGA可以通過高速PCIe接口組成陣列，同一陣列中的FPGA可以以400Gbps的帶寬訪問同一個(gè)內(nèi)存空間。在未來，Amazon可望使用FPGA-as-a-Service模式，把FPGA加速(包括硬件以及相關(guān)加速IP)作為產(chǎn)品推出。

亞馬遜推出EC2：F1架構(gòu)，使用FPGA實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)計(jì)算

除了亞馬遜之外，微軟和Intel也在積極布局云端FPGA加速。微軟于兩年前開始的Catapult計(jì)劃，使用FPGA為Bing搜索服務(wù)加速，并且將在Azure云服務(wù)商也使用FPGA加速。可望在不久的將來，我們能看到可重構(gòu)計(jì)算生態(tài)的一次快速成長(zhǎng)，從而改變?cè)朴?jì)算的格局。