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腾讯云FPGA的开发历史及背后的团队力量解密

2018年01月10日 15:11 次阅读

FPGA(Field Programmable Gate Array)现场可编程门阵列,作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现已有30年的历史了,它既解决了定制电路的无法改变功能的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点,可应用的场景也很广泛。

就在2017年1月20日,腾讯云推出国内首款高性能异构计算基础设施——FPGA云服务,利用云服务的方式将只有大型公司才能长期支付使用的FPGA服务推广到了更多企业。企业可以通过FPGA云服务器进行FPGA硬件编程,可将性能提升至通用CPU服务器的30倍以上。同时,与已经深入人心的高性能计算的代表GPU相比,FPGA具有硬件可编程、低功耗、低延时的特性,代表了高性能计算的未来发展趋势。

而在人工智能(AI)里面火热的深度学习领域,企业同样可以将FPGA用于深度学习的检测阶段,与主要用于训练阶段的GPU互为补充,FPGA还可应用于金融分析、图像视频处理、基因组学等需要高性能计算的领域,是这类对效率要求高的行业应用的最佳选择。

基于此,InfoQ采访了由腾讯云基础产品中心、腾讯架构平台部组成的腾讯云FPGA联合团队,向读者介绍FPGA的基本原理和设计初衷,应用场景以及它给行业带来的价值。

腾讯云FPGA的开发历史及背后的团队力量

随着芯片制程逼近理论极限,可以预见通用处理器(CPU)性能提升空间越来越有限。而腾讯自己的业务随着移动互联网的快速增长,数据体量的急剧膨胀,伴随着对这些数据的计算需求也在迅猛上涨。腾讯在2013年开始考虑如何解决计算需求的增长,而FPGA作为一种可编程的加速硬件彼时进入了大家的视野。有了解决计算需求的想法后,需要通过实践验证FPGA实际的能力。

腾讯的QQ、微信业务,用户每天产生的图片数量都是数亿级别,常用的图片格式有JPEG格式、WebP格式等,WebP图片格式比JPEG图片格式存储空间小30%。为节省存储空间,降低传输流量,提升用户的图片下载体验,通常采用WebP格式进行存储及传输分发,而图片转码所带来的计算消耗需要上万台CPU机器支撑。自然FPGA开发落地的第一个切入点就是图片转码:将JPEG图片格式转成WebP图片格式。

在图片转码的实践中,FPGA联合团队取得了FPGA处理延时相比CPU降低20倍,FPGA处理性能是CPU机器的6倍,验证了FPGA能进行计算加速的能力,同时也增强了FPGA联合团队的自信心。

FPGA是如何实现30倍速度的云加速的?

(图1)图片转码中FPGA和CPU延时对比

FPGA是如何实现30倍速度的云加速的?

(图2)图片转码中FPGA和CPU吞吐率对比

图片转码项目完成后,深度学习映入了FPGA联合团队的眼帘,一方面深度学习需要密集的计算,另一方面深度学习在未来应用上有着巨大的商业价值。深度学习基于深度神经网络理论,用在图片分类的神经网络是其中的一个分支:卷积神经网络(CNN)。团队使用FPGA对CNN计算进行加速,增强违规图片检测能力,最终在深度学习的实践中取得了FPGA处理性能是CPU机器4倍的战绩。

腾讯云FPGA项目实践的结果,见证了FPGA在数据中心里可以提供强大的计算能力和足够的灵活性,来应对数据中心对硬件加速的挑战。经过之前的FPGA实践,FPGA联合团队获得了在数据中心使用FPGA的经验,未来也将在数据中心的计算、网络、存储三个方向进一步探索,重构数据中心基础架构。

云端的数据中心业务日新月异,更需要一种高性能、高灵活的底层硬件结构,所以FPGA联合团队通过云端开放FPGA计算服务,从硬件层面加速云计算在各个场景中的应用,降低企业的使用门槛和成本。

FPGA的特点解析

2016年3月,英特尔宣布正式停用“TIck-Tock”处理器研发模式,未来研发周期将从两年向三年转变。至此,摩尔定律对英特尔几近失效。一方面处理器性能再无法按照摩尔定律进行增长,另一方面数据增长对计算性能要求超过了按“摩尔定律”增长的速度。

CPU本身无法满足高性能计算应用软件的性能需求,导致需求和性能之间出现了缺口。在新的芯片材料等基础技术没有取得突破前,一种有效的解决方法就是采用专用协处理器的异构计算方式来提升处理性能。现有的协处理器主要有FPGA,GPU和ASIC,FPGA由于其独特的架构拥有其他处理器无法比拟的优势。

FPGA(Field Programmable Gate Array)现场可编程门阵列,可以通过软件重新配置芯片内部的资源形成不同功能硬件,就像用乐高积木可以搭出航空母舰或变形金刚一样。因此,FPGA不仅有了软件的可编程性和灵活性,同时又有ASIC高吞吐和低延时的特性。而且,由于有丰富的IO,FPGA还非常适合用作协议和接口转换的芯片。

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发表于 2018-03-13 15:03 1679次阅读
ARM体系结构与编程模型的总结

CAN总线结构与CAN总线标准帧

CAN总线规范采用了ISO-OSI(Open System Interconnection Refe...

发表于 2018-03-13 14:09 650次阅读
CAN总线结构与CAN总线标准帧

传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

相信每一个电子工程师在项目开发的过程中都不可避免的要进行方案的调试,除了模拟调试我们还必须进行真机调...

发表于 2018-03-13 13:54 555次阅读
传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

M1052跨界核心板普通MCU系统般简便,却拥有...

M1052跨界核心板板载Cortex-M7的RT1050处理器,既具备MPU的强劲处理性能,又兼顾M...

发表于 2018-03-13 11:19 874次阅读
M1052跨界核心板普通MCU系统般简便,却拥有...

决策需求增快数据应用趁势崛起

科技进步使得数据传输量大增,处理器运算效能也须跟着提升,RISC-V技术便应运而生。RISC-V透过...

发表于 2018-03-13 10:56 629次阅读
决策需求增快数据应用趁势崛起

PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

在Pin Planner界面最下面出现的“Node Name”一列中,有我们的3个信号接口,这里“L...

发表于 2018-03-13 10:09 489次阅读
PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

3D图像传感器系统结构包含两只CMOS型图像传感器及缓存图像数据的SDRAM,为了对两只图像传感器...

发表于 2018-03-13 09:55 570次阅读
人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

JTAG模式在线下载FPGA的原理如图7.15所示,PC端的Quartus II软件通过下载线缆将b...

发表于 2018-03-13 09:46 491次阅读
AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

美国谷歌日前发布72量子比特处理器“狐尾松”

怎么才算实现了量子霸权?业界通常认为,量子霸权是指量子计算机如果在某个问题上的计算能力超过最强大的传...

发表于 2018-03-13 09:22 372次阅读
美国谷歌日前发布72量子比特处理器“狐尾松”

前安卓阵营的第一旗舰三星s8遇上iphonex会...

作为目前安卓阵营的第一旗舰,三星S9当之无愧,除了彪悍的性能外,其还全球首发了骁龙845处理器,现在...

发表于 2018-03-12 15:35 592次阅读
前安卓阵营的第一旗舰三星s8遇上iphonex会...

献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

在进行FPGA学习的时候,我遇到过问题停滞不前,试验没有进展,心情沮丧的时候。那时对底层硬件一无所知...

发表于 2018-03-12 14:18 846次阅读
献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

5G将打破手机处理器一家独大局面

紫光集团旗下的紫光展锐凭借在手机市场的杰出表现,跃升全球第十Fabless,成为国内唯二进入前十榜单...

发表于 2018-03-12 13:32 503次阅读
5G将打破手机处理器一家独大局面

FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在P...

发表于 2018-03-12 10:35 562次阅读
FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA控制的无人机电源管理系统

工业电子产品的发展趋势是更小的电路板尺寸、更时尚的外形和更具成本效益。由于这些趋势,电子系统设计人员...

发表于 2018-03-12 09:48 2943次阅读
FPGA控制的无人机电源管理系统

AMD专用晶圆格芯预计2019年推出7nm第2代...

外媒报导指出,处理器大厂 AMD 的第 2 代 Ryzen 2000 系列处理器相关参数,以及价格正...

发表于 2018-03-11 20:11 126次阅读
AMD专用晶圆格芯预计2019年推出7nm第2代...

处理器一条指令需要几个时钟周期

 时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟频率的倒数。时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时...

发表于 2018-03-11 09:58 118次阅读
处理器一条指令需要几个时钟周期

大师教你如何制作一个简单的16位CPU

与mv指令类似,mvi指令也将一个数据送入Rx当中,只不过这次的数据存在指令当中,是立即数,所以Rx...

发表于 2018-03-09 14:23 866次阅读
大师教你如何制作一个简单的16位CPU

初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

各种方案虽然只是初步的了解一些,但是发现这方面虽然有类似SOPC概念的海思和TI双核解决方案,而且是...

发表于 2018-03-09 14:19 651次阅读
初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?