自适应计算架构可应对灵活多变的创新

王莹

编者按：数据中心的发展趋势是什么？如何用芯片、板卡和软件平台应对千变万化的创新应用？2019年12月，“第3届赛灵思开发者大会（XDF）亚洲站”在京盛大举行，赛灵思领航人Victor Peng做了解答。

赛灵思的目标是“打造灵活应变、万物智能世界”。为此，公司有三大战略：①数据中心优先;②加速核心市场发展;③驱动自适应计算。归根结蒂，是让更多的软硬件开发者能使用并受益于赛灵思强大的自适应计算平台。

1数据中心迎来颠覆性变革

爆炸性增长的数据带来了数据中心颠覆性的变革：需要高吞吐量的性能和极低的延时，同时要面对摩尔定律消亡带来的性能提升瓶颈。图灵奖得主John Hennessy和David Patterson最近都提到，架构创新已经进入到一个新的黄金时代。因为传统架构对于现在的任务应用已经应付不了，行业亟需架构创新。为此，赛灵思的产品和平台在特定领域架构（DSA）、异构计算加速、近网络计算和近存储数据方面实现了创新。

赛灵思的数据中心业务发展强劲.在2019年9月结束的最新的一个季度.业务同比增长24%，季度增长92%。赛灵思的主要做法是打造生态系统，加速计算、存储、搜索、网络等应用，推出分布式自适应计算。

1）打造生态系统

目前，赛灵思已经培训工业界及学术界7干多名开发人员，约有800多个加速器合作伙伴，而且有95个发布的应用。

2）加速计算、存储、搜索、网络等应用

从计算加速和传统CPU比较的例子可见，传统的数据中心服务器有1个CPU连接网络，通过NIC（网络接口控制器）和PCle连接到存储设备。而当CPU拥有赛灵思FPGA，以及即将推出的赛灵思Versal ACAP（自适应计算加速平台）的加速，将会实现速度的巨大提升。

在存储加速领域，赛灵思也在广泛部署，已经和IBM、美光、三星等开展了合作，部署加速存储和计算存储，从而可以实现数据在最近的地方处理。

众所周知，很多地方的数据增长是呈指数级的，存储和搜索的响应是非常关键的，赛灵思的产品也可以加速。具体地，可以加速压缩/解压缩、解密。赛灵思单一的加速器可以把加速性能提升4倍，而且是非常线性的。

另外，赛灵思也提供网络加速，例如在SmartNIC行业刚刚开始采用网络加速的领域。SmartNICN以通过移除恶意数据包提供更好的安全性，并通过将网络堆栈从CPU卸载到SmartNIC来加速数据包处理。这不仅打破了网络性能瓶颈，而且缩短了CPU应用执行的周期，从而提高了TCO（总拥有成本）。

对于双插槽DC（数据中心）服务器，使用基于赛灵思的智能网卡，数据吞吐量加快了3-6倍，CPU利用率提高了1.5倍。赛灵思芯片是软硬件可编程的，因此可实现用1个开发板就能定制化地满足不同客户部署的需求。

3）数据中心的未来：分布式自适应计算

数据中心的未来发展趋势是什么？首先，业界对数据中心的需求是不断增长的。数据中心分为公有云、私有云、混合云或企业云等。其次，数据中心运营商们都想大幅提升数据集的利用率，提高高性能，并减少能耗，降低OPEX（资本性支出）/TCO。这可以通过可分解和可组合的方式实现，具体地，使用Sma-rtNIC、固态硬盘和计算加速器将资源分解为单独的CPU库来实现，然后根据需要组合这些资源，以满足任何工作负载的需要。

例如，如果控制和网络密集型工作负载是基于CPU的，只要把更多资源分配给CPU即可。对于工作与计算为基础的项目，例如AI网络等，也可以给这种计算网络分配更多资源。如果与技术分析比较相关的，也可以把这些资源分配给这种计算网络。所以ACAP可以针对专用需求来分配更多的资源，以及想要加速的相关数据集，ACAP就可以配置好，而且这是动态的，可以较高程度地来利用现有的技术，不管是CPU、存储数据，还是加速器，ACAP都可以提升其性能。

ACAP有三大价值，①TCO方面，可动态优化工作负载，加速和提高加速器的高利用率;②延时低;③加速可以定制化，即用户可以采用所有新的创新，诸如用神经元网络（NN）优化，而不用添加额外的部件/器件。

2加速核心市场发展

包括汽车、医疗等。以汽车行业为例。赛灵思在汽车业有大量的创新，自动驾驶、ADAS等方面是有非常多的应用。十多年来，赛灵思在汽车业已出货了1.7亿片以上的器件。其中.ADAS领域有6700万片。赛灵思拥有200家ADAS和自动驾驶客户群，包括全球主要的Tierl（一级供应商）、整车厂和初创企业。 赛灵思最近发布的ZU7和ZU11 Zynq UtraScale+产品符合汽车安全、质量和可靠性要求，满足了在L2到L4自动驾驶车辆的功率限制范围内对数据聚合、预处理和传感器数据分布的需求。

3软硬件的平台转型

多年来.赛灵思持续进行硬件和软件的平台化转型。

3.1硬件平台化

赛灵思宣布正研发7nm架构及全新的产品系列Versal，Versal将采用自适应计算架构（ACAP）。2019年，Versal芯片已经开始在早期客户中实现（如图1）。

开发了加速器卡，并用于多个行业。2018年推出Alveo PCI加速器卡。迄今赛灵思一共有四大产品系列：U200，U250，U280和US0。其中，U280集成了HBM存储，提供超高性能。U50集成了第2代HBM2，实现小型封装的突破，是业界第1款半高半长、支持PCIeGen4的自适应加速器卡。

目前，赛灵思最先進的处理器芯片是拥有360亿晶体管的7nm Versal ACAP.已发货给客户和合作伙伴。同时赛灵思现在也有新的Ve rsal PCIe通用开发板，已经准备就绪，可以使开发者以10倍速度开始构建和加速应用。

3.2软件平台化

为了拥有一个完整的平台，除了硬件平台外，也需要软件的统一开发平台，2019年10月，赛灵思推出了Vitis。是用于从嵌入式终端设备到边缘和云应用的统一开发环境。

Vitis可以支持异构架构.例如Zynq SoC和VersalACAP，开发人员在开发软件时利用自己所习惯的方式，在无需硬件专业知识的情况下就可获得优化硬件的好处。

总之，硬件优化可以简单到用几个关键的加速内核就可利用强大的特定领域架构（DSA）。Vitis配合赛灵思开发板后，现可以免费下载。