戴爾易安信為什么關注FPGA

 2018年12月19日,英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心落地重慶西永微電子產業(yè)園。戴爾易安信作為英特爾FPGA創(chuàng)新中心服務器產品的獨家贊助商,為創(chuàng)新中心提供了搭載FPGA的第14代PowerEdge系列服務器。戴爾易安信為什么支持英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心?FPGA為什么值得關注?我們提供一些背景信息,供您解讀。

圖1:英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心盛大揭幕

FPGA技術優(yōu)勢:高性能、低功耗、靈活性強

隨著深度學習和神經網絡等技術的發(fā)展,FPGA加速技術在人工智能、5G、自動駕駛和數據中心等領域的應用越來越廣泛。FPGA支持差異化定制,是一種極具競爭力的大數據、深度學習、無線通信加速器;FPGA支持底層硬件架構重新調整和軟件自定義,因此可融合最新的行業(yè)創(chuàng)新技術;FPGA具有高效可重復編程特性,可實現定制性能、定制功耗、高吞吐量和低批量延遲,滿足用戶各種的規(guī)格要求。

圖2:戴爾易安信全球資深副總裁、大中華區(qū)企業(yè)解決方案總經理 曹志平

出席2018 FPGA國際創(chuàng)新峰會并做主題演講

FPGA具有以下技術優(yōu)勢:

（1）高性能、低功耗

FPGA是一種高性能、低功耗的可編程芯片?？梢愿鶕蛻舳ㄖ?做針對性的算法設計,在處理海量數據的時候,FPGA相比于CPU和GPU,優(yōu)勢在于:FPGA計算效率更高,其高并行性的特性往往可以使業(yè)務性能得到量級的提升。

它是軟硬件合一的器件,不采用指令和軟件。FPGA編程使用硬件描述語言,硬件描述語言描述的邏輯可以直接被編譯為晶體管電路的組合。所以,FPGA實際上直接用晶體管電路實現用戶算法,沒有通過指令系統的翻譯。

（2）靈活性強

FPGA是現場可編程邏輯門陣列,是一堆邏輯門電路的組合,可以編程還可以重復編程。

FPGA是動態(tài)可重配的,在數據中心部署之后,可以根據業(yè)務形態(tài)來配置不同的邏輯,實現不同的硬件加速功能。舉例來講,當前服務器上的FPGA板卡部署的是圖片壓縮邏輯,服務于社交即時通訊;而此時廣告實時預估需要擴容獲得更多的FPGA計算資源,通過簡單的FPGA重配流程,FPGA板卡即可以變身成“新”硬件來服務廣告實時預估,非常適合批量部署。

未來,FPGA將會成為越來越重要的芯片,CPU與FPGA深度融合的異構計算已成為產業(yè)發(fā)展的必然選擇。

圖3:戴爾易安信FPGA解決方案展臺

CPU+FPGA的異構多核計算創(chuàng)新涉及軟硬件等深層次融合創(chuàng)新,為趕超者提供了新的跑道。同時,CPU+FPGA的異構計算作為新的重要技術趨勢,在加速了計算架構融合的同時,也給下游整機系統及軟件開發(fā)帶來了重要的機遇。

在大數據時代,機器學習和深度學習是人工智能的主要推動力。最近幾年大數據和計算力的快速增長使得深度學習技術有了質的飛躍,從而在計算機視覺、語音識別、自然語言處理等領域出現了重大突破。

然而,深度學習需要大量的并行計算,對硬件平臺有極高的要求,傳統的計算機是無法滿足的。FPGA具有很高的性能功耗比,而且基于門級電路設計使得FPGA是一個超低延時和確定延時的方案,FPGA的可編程性及動態(tài)可重構可以適應深度學習未來算法的變化,IO可編程性可以滿足更多業(yè)務需求(網絡加速,邊緣計算),因此基于FPGA的深度學習方案成為未來技術發(fā)展方向。

FPGA作為未來強大的計算加速器,不但影響主要企業(yè)的決策和市場趨勢,而且加速企業(yè)中的工作負載,促進超大規(guī)模數據中心的內部搜索,提高HPC高性能計算模擬的地位。

FPGA行業(yè)現狀:未來五年增長近1倍

以物聯網、智能制造、大數據、云計算及人工智能的技術為代表的新一輪革命方興未艾。在此背景下,中國政府提出了“智能制造”和“‘十三五’科技創(chuàng)新”的發(fā)展戰(zhàn)略,大力推動產業(yè)轉型升級和結構化調整。面對技術更新迅速、迭代頻繁的研發(fā)應用環(huán)境,FPGA(現場可編程門陣列)正成為越來越重要的芯片,并得到越來越廣泛的應用,在泛人工智能、5G、無人駕駛、智能終端和數據中心等領域發(fā)揮重要作用。

近年來全球FPGA市場規(guī)?；驹?0-60億美元左右。根據研調機構Global Market Insights的最新報告顯示,FPGA市場在2015~2022年間將出現8.4%的年復合增長率,到2022年規(guī)?？赏^99.8億美元。

FPGA主要的應用領域介紹如下:

（1）泛人工智能

當前的前沿研究方向包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等,自AI誕生以來,理論和技術日益成熟,應用領域也不斷擴大,但人工智能目前仍處于早期階段,預計未來的主戰(zhàn)場是在推理環(huán)節(jié)。專注于推理環(huán)節(jié)的FPGA必將在AI領域發(fā)揮巨大價值。FPGA內部擁有大量計算單元,進行神經網絡運算的速度遠大于CPU;FPGA同時具有架構可優(yōu)化的靈活性,當平均性能接近一塊GPU時,功耗遠小于后者,可大大降低最終用戶的散熱負擔。應用方面,由于FPGA可編程的特性,使得它能夠靈活地針對應用所用的算法修改電路,為軟件與終端應用公司提供與其競爭對手不同的解決方案。

（2）5G通信

異構無線網絡是未來無線網絡的主要發(fā)展方向,是多樣化技術的融合。其靈活性、多協議兼容性和智能化,以及對成本和功耗的要求,需要一個可編程的芯片平臺去支持,通過隨時修改芯片上局部功能,實現5G網絡所需的靈活性。傳統的ASSP和ASIC不可編程,成本昂貴,無法滿足這些方面的需求。FPGA可編程,性價比高,使之與5G無線網絡的靈活性、性價比和智能化的需求良好契合,新一代FPGA技術將在5G市場大放異彩。

（3）自動駕駛

自動駕駛對計算能力的要求非常高。相對于手機等移動終端的計算需求,自動駕駛大概要超過兩個數量級,數據生成速度方面超過四個數量級。實時性方面,自動駕駛有非常明確的最低延遲要求。在功耗方面,它需要有很低的能耗,從而提升車輛使用性能。FPGA同時擁有流水線并行和數據并行,而GPU幾乎只有數據并行。因此對流式計算的任務,FPGA比GPU天生有延遲方面的優(yōu)勢。在功耗方面,FPGA比GPU的功耗低,同時FPGA需要的空間小更加適合在自動駕駛的車輛上使用。

（4）數據中心

數據中心計算加速領域,由于計算任務靈活多變、多租戶等應用特性,傳統的ASIC大規(guī)模神經網絡部署,在研發(fā)成本、交付周期等方面已現頹勢。FPGA在此應用環(huán)境中只需幾百毫秒,即可完成邏輯功能更新,其靈活性可以大力保護數據中心的投資,并且始終保持數據中心同構性。在數據中心應用中,FPGA相比GPU的核心優(yōu)勢在于延遲:FPGA同時擁有流水線并行和數據并行兩種方式,而GPU幾乎只有數據并行(流水線深度受限)。當任務逐個而非成批到達時,流水線并行比數據并行可實現更低延遲?？梢?針對流式計算的任務,FPGA在延遲方面比GPU具有天生優(yōu)勢,更符合未來數據中心的業(yè)務需要。

一位AI芯片創(chuàng)業(yè)公司CEO接受采訪舉例說,在深度學習中,經常需要調整算法。如果采用ASIC的方式,有可能剛做完傳統算法硬化,過了半年,算法團隊又把算法換了。而采用FPGA的靈活性是可以很好地適應這種變化。

奧迪正在使用英特爾FPGA,以期實現奧迪A8轎車自動駕駛,汽車零部件制造商電裝(Denso)已經采用英特爾技術驅動的立體視效系統。越來越多的汽車公司在其車輛上使用FPGA,提供諸如自適應巡航控制、防撞和駕駛員輔助等功能。

FPGA還被大量用于大型云數據中心實現人工智能應用。例如,微軟已在Brainwave項目是一個建立在FPGA之上的加速深度學習平臺,它采用英特爾Stratix FPGA,通過數據的盡快處理和傳輸,在云中提供實時人工智能。

Dell EMC正在使用英特爾FPGA芯片,進行基因分析和蛋白質結構研究等領域的應用驗證。

深思考人工智能(iDeepWise Artificial Intelligence)是一家專注于類腦人工智能與深度學習核心科技的公司。深思考CEO楊志明在接受智東西采訪時說,智慧工業(yè)機器人、智慧通信、智慧醫(yī)療、智慧裝備等領域,都是FPGA以外的其他AI芯片難以介入的應用領域。

戴爾易安信PowerEdge服務器加速數據中心工作負載

戴爾易安信PowerEdge服務器是全球X86服務器的領先品牌。根據IDC公司全球服務器市場跟蹤數據,戴爾易安信始終保持著全球服務器市場的領先地位。以IDC在12月11日公布的最新數據為例,在2018年第三季度,戴爾易安信無論銷售量還是銷售額都名列全球第一。如下表。

戴爾易安信與英特爾的結合,可以將FPGA技術的優(yōu)勢帶入各種規(guī)模的數據中心,加速處理數據中心日益增長的數據。

2018年4 月,英特爾宣布其FPGA 已經正式應用于主流的數據中心 OEM 廠商。其中,在全球市場銷量領先的戴爾易安信PowerEdge系列服務器率先支持英特爾FPGA加速器。

戴爾易安信在PowerEdge R640、R740、R740XD等多個型號支持英特爾可編程加速卡(PAC),從而加速數據中心的多種核心工作負載,例如數據分析、人工智能等,并通過與英特爾緊密合作,提供面向加速的軟件生態(tài)系統支持。其中,PowerEdge R740和R740XD可支持多達4路FPGA,PowerEdge R640支持1路FPGA。

2018年5月,戴爾易安信發(fā)布新的第14代戴爾易安信PowerEdge四路服務器和戴爾易安信ML/DL就緒解決方案,進一步加強人工智能和機器學習功能。

其中,戴爾易安信新推出兩款的四路服務器:PowerEdge R940xa和PowerEdge R840。憑借英特爾?至強?可擴展處理器(多達112個處理核心)和大容量內存(多達6TB內存和NVDIMM選件)的卓越性能密度,PowerEdge R940xa和PowerEdge R840服務器提供了強大的性能。兩款四路服務器都支持FPGA,在數據密集型計算方面表現卓越。

PowerEdge R940xa服務器設計用于加速關鍵業(yè)務應用數據庫,沒有使用云的費用和安全風險。它將4個CPU與4個圖形處理單元(GPU)以1:1的大比率相結合,提高了應用性能,并且通過直接連接的NVMe驅動器實現了低延遲。

PowerEdge R840服務器專為數據庫內分析而設計。它采用了比市場上其他服務器產品更多的直連NVMe驅動器,讓數據延遲最小化,并通過完全集成的超級通道互連總線(UPI),加速數據傳輸。

戴爾易安信還參加了英特爾AI構建者計劃,這是一個針對企業(yè)級技術合作伙伴的生態(tài)系統,旨在開發(fā)基于英特爾人工智能產品的高質量解決方案。戴爾易安信跟英特爾通力合作,通過戴爾易安信創(chuàng)新實驗室和戴爾易安信客戶解決方案中心,幫助客戶評估其在英特爾?至強?可擴展處理器和英特爾?FPGA上的大規(guī)模深度學習和高性能計算工作負載。

戴爾易安信全球資深副總裁、大中華區(qū)企業(yè)解決方案總經理曹志平表示,戴爾易安信獨家贊助英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心,緣起戴爾跟英特爾緊密的戰(zhàn)略伙伴關系,也是出于戴爾“在中國,為中國”戴爾中國4.0+戰(zhàn)略的考慮。

面對數字化浪潮對各行各業(yè)帶來的顛覆性改變,戴爾科技集團作為數字化轉型的實踐者、領導者和前瞻者,將匯聚集團的綜合實力,進一步深耕中國市場,持續(xù)履行本土化承諾,以領先的科技力量,豐富的實戰(zhàn)經驗為客戶保駕護航,在數字化轉型的道路上與客戶一同砥礪前行,成為中國客戶值得信賴的合作伙伴,共贏數字化未來。英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心,正好跟戴爾的中國戰(zhàn)略方向一致。

在戴爾易安信PowerEdge服務器上使用FPGA的例子

2018年5月,戴爾易安信推出了一項人工智能挑戰(zhàn)賽,鼓勵參賽者展示人工智能的實際應用,這對企業(yè)、科研以及社會都有著革命性的影響。冠軍得主可獲得在戴爾易安信HPC與人工智能創(chuàng)新實驗室Zenith集群上的20萬個核心小時,其項目也在2018年超算大會戴爾易安信展臺上作為亮點展出,并參與到一系列推廣活動當中。

最終,佛羅里達大學空間、高性能和彈性計算中心(SHREC)的一支研究團隊被戴爾易安信評為2018年戴爾易安信人工智能挑戰(zhàn)賽冠軍。

佛羅里達大學空間、高性能和彈性計算中心(SHREC)由30多個行業(yè)、政府和學術合作伙伴組成,共同解決在通過重新配置、可靠的高性能計算來驅動或改進任務和應用上所面臨的科研難題。對于此次人工智能挑戰(zhàn)賽,SHREC團隊開發(fā)并展示了一個異構計算(HGC)系統,該系統可以支持完整的機器學習工作流,包含數據分析以及預處理、模型訓練、部署和推理,并適用于任何利用機器學習的應用領域,包括醫(yī)療、商業(yè)、金融、科學探索等等。

該團隊的學生代表Chao Jiang博士表示:“為了這次人工智能挑戰(zhàn)賽,我們的團隊利用了CERN OpenLab數據集來確定HGC工作流的性能,包括將CPU、GPU和FPGA用于機器學習。研究表明,性能提高了1.45到2.22倍。這些早期的研究成果為我們提供了很大的幫助,我們正計劃繼續(xù)測試基于更復雜的3D圖像的技術,例如利用3D U-net技術進行立體分割來幫助提高性能,以及用于加速例子模擬的3D GAN?！?/p>

關于戴爾易安信

作為戴爾科技集團的重要業(yè)務組成之一,戴爾易安信擁有行業(yè)領先的融合基礎架構、服務器、存儲和數據保護技術,助力企業(yè)實現現代化、自動化以及數據中心轉型,為通過建立混合云、開發(fā)云原生應用和大數據解決方案實現業(yè)務轉型提供了值得信賴的基礎。戴爾易安信為遍及180個國家不同規(guī)模的客戶提供服務—從全球財富500強至中小型企業(yè)—并為客戶提供業(yè)界全面的從邊緣計算到數據中心、再到云計算的創(chuàng)新產品組合。

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