當(dāng)您在天貓/手淘上買(mǎi)買(mǎi)買(mǎi)的時(shí)，圖片會(huì)以不同格式或分辨率來(lái)轉(zhuǎn)碼呈現(xiàn)，這就要求后臺(tái)系統(tǒng)需要強(qiáng)大的算力來(lái)保障數(shù)倍于平時(shí)的轉(zhuǎn)碼需求。FPGA是可編程芯片中處理這類(lèi)并行計(jì)算的最佳能耗比方案，這位曾經(jīng)高冷的“王謝堂前燕”，通過(guò)云計(jì)算的價(jià)值加成，正在賦能越來(lái)越多的科技創(chuàng)新。

在今年的XDF 2018大會(huì)上，阿里云的工程師首次向業(yè)界揭開(kāi)了阿里云FPGA平臺(tái)“舜天”的神秘面紗，這臺(tái)云端計(jì)算加速的新引擎初露鋒芒。

圖 1：XDF 2018 上，阿里云 “舜天” FPGA 平臺(tái)初露鋒芒

初識(shí)FPGA：計(jì)算加速新引擎

FPGA最大的特點(diǎn)是直接基于硬件編程，擁有高吞吐和低延時(shí)等特性，可以很容易搭建出數(shù)據(jù)并行通道，同時(shí)完成流水線(xiàn)并行；相對(duì)于ASIC，又具有軟件的可編程性和靈活性，這讓它能完美適應(yīng)AI等對(duì)大算力有剛性需求并且尚處于快速迭代期的場(chǎng)景。

圖 2：FPGA能力模型

然而，傳統(tǒng)的FPGA線(xiàn)下開(kāi)發(fā)，過(guò)程非常繁瑣。對(duì)于IP提供商或方案集成商來(lái)說(shuō)，需要自己開(kāi)發(fā)和維護(hù)硬件，推廣難、成本高。對(duì)于客戶(hù)來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)時(shí)也繞不開(kāi)硬件環(huán)節(jié)，試錯(cuò)成本大、周期長(zhǎng)。

FPGA+云正好是解決這些難題的最佳方案。

“舜天”平臺(tái)整合了傳統(tǒng)FPGA產(chǎn)業(yè)鏈的多個(gè)環(huán)節(jié)：從芯片原廠商，硬件，IP供應(yīng)商等等，將它們統(tǒng)一打包成平臺(tái)資源，使客戶(hù)可以專(zhuān)注于算力的實(shí)現(xiàn)，而IP供應(yīng)商可以簡(jiǎn)化交付流程，大幅優(yōu)化交付周期和運(yùn)營(yíng)成本。

—— 阿里云工程師，張振祥

“舜天”平臺(tái)整合了傳統(tǒng)FPGA產(chǎn)業(yè)鏈的多個(gè)環(huán)節(jié)：從芯片原廠商，硬件，IP供應(yīng)商等等，將它們統(tǒng)一打包成平臺(tái)資源，使客戶(hù)可以專(zhuān)注于算力的實(shí)現(xiàn)，而IP供應(yīng)商可以簡(jiǎn)化交付流程，大幅優(yōu)化交付周期和運(yùn)營(yíng)成本。

從2017年8月開(kāi)始，“舜天”已經(jīng)歷經(jīng)三代產(chǎn)品迭代，最新上線(xiàn)的F3系列實(shí)例，可提供超過(guò)1000萬(wàn)邏輯單元和高達(dá)47 TeraMACs的DSP計(jì)算能力。

以時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)為例，舜天平臺(tái)的處理效率比CPU高出30倍以上：?jiǎn)温稦PGA實(shí)現(xiàn)的實(shí)測(cè)峰值性能為2.97GB/s,相比之下，單核CPU壓縮的實(shí)測(cè)性能約為90M/s。在圖片識(shí)別場(chǎng)景下，舜天F3提供的算力約相當(dāng)于7臺(tái)CPU服務(wù)器，大幅降低了Capex成本，相比CPU服務(wù)器，TCO降低超40%。

而且，這個(gè)能力還可以擴(kuò)展，當(dāng)開(kāi)發(fā)者在處理高性能計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)，往往需要多芯片共同計(jì)算。“舜天”提供了各類(lèi)高速接口，可完成1/2/4片芯片互聯(lián)拓?fù)洌⒅С謩?dòng)態(tài)配置。以卡內(nèi)雙芯片通信為例，帶寬高達(dá)600Gbps，同時(shí)支持多種輕量級(jí)傳輸協(xié)議，傳輸效率達(dá)95%。

一睹真容：久經(jīng)沙場(chǎng)的悍將

在阿里巴巴內(nèi)部，“舜天”其實(shí)已經(jīng)久經(jīng)沙場(chǎng)，支撐了包括雙11在內(nèi)的超大型計(jì)算場(chǎng)景、城市大腦、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)、高清視頻編解碼等等明星業(yè)務(wù)都涉及FPGA加速。

以雙11舉例，在客戶(hù)通過(guò)淘寶/天貓APP或者網(wǎng)頁(yè)端瀏覽商品時(shí)，圖片需要以不同格式或分辨率來(lái)呈現(xiàn)。舜天平臺(tái)的并行計(jì)算能力，直接將圖片處理的延時(shí)縮減到CPU服務(wù)器的50%，將吞吐能力提升了數(shù)倍。

在基因賽場(chǎng)里，“舜天“的表現(xiàn)也很出色，100Gbp全基因組分析時(shí)間被縮短至兩小時(shí)，速度比過(guò)去提升了10倍，單位成本也大大降低。全基因，指的就是把物種細(xì)胞里面完整的基因組序列從第1個(gè)DNA開(kāi)始一直分析到最后一個(gè)DNA，這種技術(shù)幾乎能夠鑒定出基因組上任何類(lèi)型的突變。

化繁為簡(jiǎn)：大幅降低開(kāi)發(fā)門(mén)檻

在傳統(tǒng)軟件工程師眼里，F(xiàn)PGA芯片的開(kāi)發(fā)門(mén)檻是很高的，一方面需要了解HDL硬件編程，一方面需要對(duì)底層硬件和接口了如指掌。

在此次的XDF大會(huì)上，阿里云工程師潘岳介紹了舜天平臺(tái)的解決方案。

首先，“舜天”增加了對(duì)高級(jí)系統(tǒng)語(yǔ)言的支持，包括C, C++, OpenCL等。這意味著開(kāi)發(fā)者可以在他們熟悉的編程語(yǔ)言和工作流程中順暢使用，而且確保原本基于CPU或GPU的開(kāi)發(fā)可以輕松移植到云上的FPGA器件中。同時(shí)，阿里云還提供了大量的參考設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)包，幫助開(kāi)發(fā)者快速建立系統(tǒng)。

接口方面，“舜天”提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)接口，包括：DDR4/5、PCIe、DMA等等，開(kāi)發(fā)者無(wú)需動(dòng)手，只需要關(guān)心內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)（圖中灰色部分）。

此外，阿里云還支持多種主流FPGA的Shell+Role實(shí)現(xiàn)，可以適配跨平臺(tái)的Multi-boot方案，讓用戶(hù)能夠輕松完成跨平臺(tái)遷移。

IP加密隔離：安全不打折

作為FPGA生態(tài)的最重要一環(huán)，IP廠商非常在意云上的多租戶(hù)環(huán)境。既要需要確保IP產(chǎn)品不泄露，又要保證用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)的IP只能被自己使用。

為此，阿里云采用了IP加密、網(wǎng)絡(luò)隔離、IP所屬權(quán)和使用權(quán)分離等方式確保了用戶(hù)的源碼（或IP源碼）、發(fā)行包、部署環(huán)境全程對(duì)第三方完全不可見(jiàn)，同時(shí)還提供健康監(jiān)控能力，及時(shí)感知底層故障并實(shí)時(shí)報(bào)警。

作為最早入住舜天平臺(tái)的IP提供商之一，聯(lián)捷計(jì)算科技CTAccel CEO俞海樂(lè)博士表示，上云后安全是我們最關(guān)注的問(wèn)題，阿里云的安全隔離做得非常到位，這也是我們優(yōu)先選擇阿里云進(jìn)行部署的原因。

不變的使命：共建普惠異構(gòu)生態(tài)

此前阿里云的Slogan“為了無(wú)法計(jì)算的價(jià)值”一直深入人心，積極布道普惠計(jì)算。自推出異構(gòu)計(jì)算依賴(lài)，開(kāi)發(fā)者在阿里云上能以更少的價(jià)格使用性能更強(qiáng)的GPU/FPGA實(shí)例，在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域?qū)㈤_(kāi)發(fā)成本降低了一半以上。

為了讓更多開(kāi)發(fā)者能夠享受到FPGA的收益，阿里云推出了FPGA彈性云服務(wù)器，并建立了FPGA鏡像市場(chǎng)，讓具有創(chuàng)新思路和成熟解決方案的IP產(chǎn)品通過(guò)平臺(tái)脫穎而出，擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模，加快研發(fā)進(jìn)度，提高設(shè)計(jì)穩(wěn)定性。

“舜天”是阿里云使能人工智能產(chǎn)業(yè)的一大利器，我們歡迎更多的開(kāi)發(fā)者加入阿里云FPGA生態(tài)，推動(dòng)技術(shù)落地到產(chǎn)業(yè)中去。

—— 阿里云工程師，張振祥