【導讀】中國信通院《數據中心白皮書2022》報告顯示，2021年全球數據中心市場規模超過679億美元，較2020年增長9.8%。隨(sui)著(zhe)數(shu)據(ju)視(shi)頻(pin)化(hua)趨(qu)勢(shi)加(jia)強(qiang)
，以(yi)及(ji)遠(yuan)程(cheng)辦(ban)公(gong)普(pu)及(ji)程(cheng)度(du)提(ti)高(gao)，數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)市(shi)場(chang)呈(cheng)現(xian)出(chu)穩(wen)健(jian)增(zeng)長(chang)的(de)趨(qu)勢(shi)。但(dan)這(zhe)也(ye)帶(dai)來(lai)聯(lian)網(wang)數(shu)據(ju)的(de)爆(bao)炸(zha)式(shi)增(zeng)長(chang)，對(dui)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)的(de)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)能(neng)力(li)提(ti)出(chu)巨(ju)大(da)挑(tiao)戰(zhan)。各(ge)種(zhong)加(jia)速(su)方(fang)案(an)因(yin)而(er)成(cheng)為(wei)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)不(bu)可(ke)或(huo)缺(que)的(de)應(ying)用(yong)。

數據中心加速解決方案

中國信通院《數據中心白皮書2022》報告顯示，2021年全球數據中心市場規模超過679億美元，較2020年增長9.8%。隨(sui)著(zhe)數(shu)據(ju)視(shi)頻(pin)化(hua)趨(qu)勢(shi)加(jia)強(qiang)
，以(yi)及(ji)遠(yuan)程(cheng)辦(ban)公(gong)普(pu)及(ji)程(cheng)度(du)提(ti)高(gao)
，數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)市(shi)場(chang)呈(cheng)現(xian)出(chu)穩(wen)健(jian)增(zeng)長(chang)的(de)趨(qu)勢(shi)。但(dan)這(zhe)也(ye)帶(dai)來(lai)聯(lian)網(wang)數(shu)據(ju)的(de)爆(bao)炸(zha)式(shi)增(zeng)長(chang)
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在數據中心裏
，加速芯片主要應用於三個方麵：計算、存儲和網絡。其中，傳統的GPU芯片
，以及新興的DPU
、APU等加速芯片能夠解決一部分需求
，剩下很大一部分加速需求都是基於FPGA來解決。

根據Semico Research在2019年提出的預測
，2018年-2023年全球數據中心加速卡市場規模將從28.4億美元增長至211.9億美元

，年複合增長率高達49.47%，FPGA是其中增速最快的細分產品，需求主要來自企業級工作負載加速應用。

本文我們就來具體看一下
，為什麼FPGA能夠在數據中心加速領域領跑
？具體的優勢有哪些
？並為大家推薦貿澤電子官網在售的可用於數據中心加速的FPGA產品。

為何FPGA適合數據中心加速

在傳統數據中心部署方案中，計算和數據處理都是由CPU完成，存儲和網絡資源也是圍繞CPU進行部署。然而，由於人工智能和物聯網市場的爆發
，雲端數據量呈指數級增長，CPU便成為係統規模和效率提升的瓶頸，GPU
、FPGA、ASIC等高性能芯片開始湧入數據中心市場
，其中FPGA的典型產品形態就是加速卡。

不過，對於FPGA產品而言，數據中心算是一個比較新的應用領域。比如，已經被AMD收購的賽靈思在2018年伊始才正式宣布“數據中心優先”的發展戰略。但是，憑借著高吞吐和低延遲的天然優勢，再加上部署靈活
，FPGA在數據中心一經采用便迅速成為主流加速方案。

在數據中心應用裏
，FPGA能夠全麵減輕CPU的任務負擔
，包括計算
、存儲和網絡。傳統數據中心的模型是基於CPU集群構建，寶貴的CPU內核被消耗殆盡
，圍繞CPU配備的網絡接口控製器（NIC）等初步緩解資源也無法解決根本問題。基於FPGA的異構計算體係此時開始顯現出優勢，根據微軟Catapult項目公布的數據，通過FPGA對應用於必應搜索引擎文件排名運算的服務器做加速

，獲得了95%的吞吐量提升，處理必應的自定義算法速度提高了40倍，加速效果顯著。

圖1：FPGA加速必應的搜索排序過程

（圖源：微軟技術白皮書）

剖析微軟Catapult項目能夠發現，數據中心的硬件加速器需要滿足幾個條件：

一


、需(xu)要(yao)具(ju)備(bei)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)可(ke)擴(kuo)展(zhan)性(xing)，以(yi)雲(yun)計(ji)算(suan)為(wei)主(zhu)要(yao)服(fu)務(wu)方(fang)式(shi)的(de)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)，其(qi)需(xu)要(yao)處(chu)理(li)的(de)任(ren)務(wu)是(shi)不(bu)固(gu)定(ding)的(de)
，麵(mian)向(xiang)不(bu)同(tong)的(de)任(ren)務(wu)，加(jia)速(su)器(qi)要(yao)全(quan)部(bu)能(neng)夠(gou)自(zi)如(ru)地(di)應(ying)對(dui)；

二、需要具備硬件資源虛擬化的能力
，以完成和現有數據中心的同構並行，而不需要對現有架構進行大刀闊斧的修改；

三
、需要具備分析推理的能力，提升較大應用模型部署的容錯率。

方案商在評估各種硬件加速器之後發現
，FPGA相較於其他硬件
，可以提供更高的性能，更好的實時性
，以及足夠的靈活性，可以根據未來算法與需求變更及時做調整。並且
，FPGA虛擬化的軟件架構和接口資源大幅提升了和現有運算體係的同構屬性，在方案升級時具備明顯的成本優勢。

我們再看一個具有代表性的例子——亞馬遜AWS F1
，基於FPGA對公有雲進行加速服務。AWS F1實例進一步優化了FPGA在雲服務加速方麵的軟硬件功能，主要原因是公有雲的用戶並不像私有雲用戶一樣，具備強大的技術研發實力，並能夠得到FPGA廠商的一定支持。因此，在AWS F1項目裏，亞馬遜將底層FPGA的邏輯資源抽象化
，使得用戶不需要去擔心接口資源和IP部署等細節問題，同時以完整的FPGA開發配套工具幫助用戶實現對應用方案的加速。

亞馬遜AWS F1更好地體現了FPGA的高度定製化
，這其實也是FPGA的天然優勢，這種可編輯的特性也就是上麵提到的靈活性，單個FPGA可以根據各種不用的應用重新配置，無需將特定的硬件變成ASIC，用戶可以在機器學習
、網絡
、安全等各個關鍵環節使用FPGA。

除了國際廠商，在中國雲服務市場

，FPGA也廣受歡迎。目前，阿裏雲、騰訊雲、百度雲等國內雲服務公司都已經在硬件加速方麵選用FPGA。比如，我們看到騰訊於2017年就曾推出國內首款高性能異構計算基礎設施FPGA雲服務器，這款采用異構計算架構的雲服務器相較於傳統CPU服務器

，性能提升在30倍以上。和亞馬遜的理念類似，通過這種FPGA雲服務器，騰訊將隻有大公司才能夠長期部署的FPGA帶入到大眾市場。目前，在騰訊雲的硬件基礎設施裏
，FPGA已經在計算、網絡、存儲三大重要節點充當加速器角色。

主流雲服務大廠對FPGA的支持使得FPGA在國內數據中心市場快速崛起。

根據Frost&Sullivan數據，2020年中國應用於數據中心領域的FPGA芯片市場規模約 16.1億元，占中國FPGA芯片市場份額的10.7%

，預計2021年-2025年的年均複合增速將達到16.6%。能夠看到，隨著FPGA的加速性能在數據中心獲得認可，未來該領域的市場增速非常快。

當然，必須要說明的是，在數據中心市場
，FPGA以及其他所有硬件加速器都不是CPU的“革命者”，而是協作者。未來隨著數據中心計算體量和複雜度提升

，CPU的精力會越來越多集中在複雜任務的調度和處理上，重複性和局部性的任務將更大規模地從CPU上轉移。而FPGA憑借上述提到的可編程、高吞吐、低延遲的特性，將承擔更多的加速任務，為機器學習等典型的人工智能應用賦能。

與FPGA靈ling活huo性xing類lei似si的de是shi

，貿mao澤ze電dian子zi也ye為wei工gong程cheng師shi提ti供gong了le靈ling活huo多duo樣yang的de檢jian索suo與yu支zhi付fu方fang式shi，幫bang助zhu工gong程cheng師shi更geng快kuai地di購gou置zhi好hao產chan品pin開kai發fa所suo需xu的de元yuan器qi件jian，從cong而er提ti升sheng研yan發fa效xiao率lv。接jie下xia來lai，我wo們men為wei大da家jia推tui薦jian幾ji款kuan貿mao澤ze電dian子zi平ping台tai在zai售shou的deFPGA產品，它們都是硬件加速方麵的好手。

業界首款FPGA加速卡支持軟件定義硬件

在數據中心領域
，FPGA加速卡是一種典型的產品形態，實現了基於FPGA的係統集成。和傳統的FPGA開發板不同，FPGA加速卡是更加完整的係統級方案。我們為大家帶來的第一款產品就是來自製造商AMD的Alveo™ SN1000 SmartNIC加速卡，貿澤電子官網上

，該器件的料號為A-SN1022-P4E-PQ。

圖2：SN1022-P4E-PQ

（圖源：貿澤電子）

Alveo™ SN1000 SmartNIC加速度卡是一款提供軟件定義硬件加速的SmartNIC，在單一解決方案中集成有網絡連接
、計算和存儲加速功能
，實現麵向數據中心領域的任務負擔轉移。並且，由於FPGA的可編程特性
，這款加速卡支持各種廣泛的定製卸載，包括支持客戶構建和第三方卸載。

Alveo™ SN1000加速卡提供的硬件資源包括：

●   PCIe Gen 4 x8或Gen 3 x16

●   100G QSFP28 DA銅纜或光纖收發器

●   基於XCU26（XCU26-L2VSVA1365E）FPGA，采用Xilinx 16nm UltraScale+架構

●   板載CPU：16個64位Arm Cortex-A72內核，頻率為2.0GHz
，具有8MB緩存

●   1個4GB x 72 DDR4-2666（處理器）

●   2個4GB x 72 DDR4-2666（FPGA）

●   總智能卡負載：75W

●   70W熱設計功耗（TDP）

●   被動散熱

在可編程方麵，Alveo™ SN1000加速卡支持全麵協議級卸載加速定製
、專用數據路徑以及便捷的P4高級語言編程，並提供P4工具套件Vitis Networks
，可讓客戶自定義卸載和調整現有卸載，以處理新協議和應用
，而無需更換硬件。這些定製性的硬件加速包括：開放式vSwitch和虛擬化加速（Virtio.net）的網絡加速
；IPsec
、kTLS和SSL/TLS安全加速；Virtio.blk、基於TCP的NVMe™、Ceph、壓縮和加密服務類型的存儲加速。通過這些加速功能，Alveo™ SN1000加速卡幫助數據中心更好地應對機器學習、數據分析
、視頻轉碼、視頻和圖像處理
、基因組學
、安全


、金融計算等方麵的加速需求。

高性能和高效率的Alveo™ U50加速卡

第二款推薦產品同樣是一款來自AMD的FPGA加速卡——Alveo™ U50加速卡，貿澤電子官網上該器件的料號為A-U50-P00G-LV-G。

圖3：A-U50-P00G-LV-G

（圖源：貿澤電子）

Alveo™ U50數據中心加速器卡基於UltraScale+™ 架構打造，率先使用半高半長的外形尺寸和低於75W的低包絡功耗。該加速卡的產品規格如下：

●   UltraScale+架構

●   半高
、半長、單插槽薄型外形尺寸

●   查找表數量：872,000

●   HBM2內存：8GB

●   HBM2帶寬：316GB/s1

●   網絡接口：1個QSFP28（100GbE）

●   時鍾精度：IEEE 1588

●   PCI express：PCIe Gen3 x 16、雙PCIe；Gen4 x 8、CCIX

●   被動散熱解決方案

●   功耗（TDP）：75W

Alveo™ U50加速卡擁有三大典型的產品優勢：

●   首先是高性能和高效率，8GB HBM2、100GbE網絡和PCI Express 4.0為這款加速卡帶來了高速度，並通過支持4x10GbE
、4x 25GbE或1x 40GbE、1x 100GbE的100G網絡，實現了低時延網絡功能；

●   其次是靈活應變
，可全麵應對計算、存儲和網絡方麵的任務負載
，隨著工作負載和算法通過可重新配置的架構（與固定架構不同）不斷發展，能夠以更大幅度地提高應用性能

；

●   最後是方便易用
，Alveo™ U50加速卡經過精心構建，可為在雲端或本地部署（可互換）的解決方案擴展架構。

借助這三大典型的產品優勢，Alveo™ U50加速卡可為金融計算

、機器學習、計算存儲以及數據搜索和分析領域的任務負載提供加速支持。

可用於10G至100G網絡的Virtex®-7 FPGA

隨著流量的不斷激增，各大數據中心如何經濟、平滑地提升網絡帶寬性能，成為產業關注的熱門話題，以求在路由、交換、安全等方麵實現全麵調優。接下來，我們為大家推薦一款可用於10G至100G網絡的Virtex®-7 FPGA，同樣是來自製造商AMD，貿澤電子官網上該器件的料號為XC7VX485T-1FFG1761C。

Virtex®-7 FPGA是AMD 7係列FPGA中的一個係列，基於低功耗（HPL）
、28nm、高K金屬柵極（HKMG）工藝技術打造，提供高達2M邏輯單元
，具有出色的功耗性能比架構、DSP性能以及I/O帶寬。Virtex®-7 FPGA提供超高端連接帶寬，總串行帶寬高達2.8TB/s，最多支持96 x 13.1G GT

、16 x 28.05G GT、5,335 GMAC、68Mb BRAM、DDR3-1866。

表1：AMD 7係列FPGA產品參數表

（圖源：AMD）

Virtex®-7 FPGA適合小尺寸、成本敏感、大容量應用
，比如100GE線路卡。

幫助數據中心應對複雜多變的新場景

隨著數據中心裏麵的數據體量越來越大，並且行業應用對於低時延的要求越來越苛刻
，FPGA通過對數據中心計算效能的提升，對通信網絡的持續優化
，推動了數據中心的智能化升級，並幫助其應對愈加複雜的新場景
、新AI模型
，最終幫助社會各行業實現更深層的數字化運營。在貿澤電子官網上，無論是FPGA產品還是基於FPGA實現的加速卡，都有豐富的產品選擇，借助這些高性能器件
，開發人員可以為數據中心加速再加速。

來源：Mouser

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