英特尔基于加速卡的FPGA生态系统布局

作为加速云数据中心的重要组件，FPGA已经开始了它在数据中心领域的广泛使用。除了像微软、亚马逊这样的大型云服务提供商之外，FPGA也逐渐开始进入其他类型和规模的数据中心，并在大数据处理、AI、网络功能加速等领域扮演者重要的角色。

(图片来自英特尔)

在这些基于大数据浪潮的全新应用中，FPGA厂商也在不断的探索和尝试新的FPGA推广方法。他们的最终目的非常简单，就是让更多的用户使用自己的FPGA产品。但在这个过程中，我们可以发现一个重要的发展趋势，那就是FPGA厂商正在逐渐的从单纯的芯片提供商，转变为系统级解决方案提供商。

回首过去，在传统的FPGA业务模型里，FPGA厂商通常只负责卖给客户两样东西：一个是FPGA芯片，另外一个是FPGA的开发工具。两件东西一旦售出，客户开发何种应用就与厂商无关。虽然厂商也会提供详尽的技术支持，但主要的开发过程往往还是由客户完成。

如今，FPGA厂商更倾向于提供给客户一个完整的系统级解决方案。两大FPGA厂商英特尔和赛灵思目前纷纷推出的各类FPGA加速卡，就是这个趋势的典型代表。

总体而言，FPGA厂商在硬件层面已经不单单提供芯片级的产品，而是进一步提供板卡级的产品组合。与开发板不同，FPGA加速卡是针对特定领域和应用的专业板卡，通常以PCIe扩展卡的方式进行部署。板卡上设计有丰富的高速I/O接口与存储资源，但往往不会配备太多开发板上常见的调试功能与资源，例如通用I/O等。

在软件层面，FPGA厂商除了提供传统的开发套件之外，现在还会提供与FPGA加速卡配套的驱动、各类软件库、编程接口（API），甚至还有下文会提到的完整的软件开发栈以及软硬件参考设计。

通过提供这些完整的开发环境，大大简化了FPGA的开发难度，使得软件开发人员也能在短时间内完成算法模型的FPGA实现。FPGA厂商的主要目的，是在不断提供原厂软硬件解决方案的同时，也在不断吸收第三方的IP与应用，从而构建一个完整的FPGA生态系统。

同时我们也注意到，除了FPGA原厂的加速卡方案之外，很多第三方厂家，比如华为、浪潮和Mellanox等，也相继推出了各自的FPGA加速卡产品。这些第三方加速卡虽然采用的都是英特尔或赛灵思的FPGA芯片，但都针对各自的细分领域做了优化设计，以适应目标应用的需要。

在下文中，我将详细介绍一下当前在市场上主要的FPGA加速卡产品，以及各个厂商基于加速卡的FPGA生态系统布局。

英特尔的FPGA加速卡布局

早在2017年10月，英特尔就官宣了旗下的首款FPGA加速卡产品，名为“Programmable Acceleration Card”，简称PAC。同时发布的，还有与之配套的软硬件开发框架与加速栈系统。这不仅是英特尔FPGA的首款通用FPGA加速卡产品，也是当时市场上的首款面向大数据、AI、高新能计算等新兴领域的数据中心FPGA加速卡，因此PAC的意义非同小可。

（图片来自英特尔）

在硬件规格方面，PAC使用了英特尔的Arria10 GX FPGA，它基于英特尔的20纳米工艺制造，拥有115万个可编程逻辑单元，是当时性能和容量最强大的英特尔FPGA。PAC集成了8GB的DDR4内存和128MB闪存，有一个QSFP+接口，能满足最高40Gbps的网络连接带宽，同时有PCIe Gen3 x8接口与主机CPU互联。

（图片来自英特尔）

值得注意的是，PAC的板级功耗约为45W~60W，因此得以采用了被动散热设计，从而将板卡的尺寸控制在了半高半长，方便在各类服务器的部署。

PAC的主要应用场景是加速数据中心的各类应用，作为英特尔的原厂产品，PAC在数据中心里有着得天独厚的优势。它天生可以作为英特尔Xeon处理器的硬件加速单元，用于卸载和加速原本在CPU上实现的各类应用，从而构成英特尔CPU+FPGA的高性能数据处理组合。

作为生态系统构建的重要组成部分，英特尔还发布了面向Xeon和FPGA的加速堆栈（Acceleration Stack），见下图。这个加速堆栈本质上是一个软件开发框架，包含了FPGA板卡的驱动、API、接口管理、软件库与开发工具等，从而为CPU与FPGA的联合开发提供了通用的编程接口，简化了开发流程，缩短了开发时间。

（图片来自英特尔）

为了向软件开发者进一步抽象底层的FPGA硬件资源，英特尔开源了名为“开放可编程加速引擎（Open Programmable Acceleration Engine - OPAE）”的技术。OPAE是一个层次化模型，提供了一系列标准的软件接口，以及常见硬件功能的FPGA实现，比如各类寄存器与内存分配逻辑等等。同时，也提供了很多操作系统内核空间的FPGA支持，使得开发者可以专注于用户空间的应用开发。

（图片来自英特尔）

PAC发布一年后，英特尔在2018年10月发布了另一款基于Statix10 SX FPGA的加速卡。相比前一代产品，这款加速卡在硬件性能上有了质的飞越。Stratix10作为英特尔的高端FPGA系列，基于英特尔的14纳米工艺制造，并采用了3D系统级封装技术，有着更高的集成度。在这款PAC采用的Stratix10 FPGA上，有280万可编程逻辑单元，244Mb片上内存以及高达26Gbps的串行收发器。

（图片来自英特尔）

板上资源方面，这款PAC包含32GB DDR4内存、两个最高支持100Gbps网络带宽的QSFP28接口，以及PCIe Gen3 x16接口。由于这个板卡面向更高性能的数据中心应用，因此在功耗和尺寸方面都有所增加，其中板级功耗约为225W，尺寸为全高、3/4长的双槽设计。

（图片来自英特尔）

在2019年MWC大会的第一天，英特尔又推出了一款针对5G应用的FPGA加速卡PAC N3000，见下图。这款加速卡可以实现高达100Gbps的网络流量的加速处理，同时支持9GB DDR4和144MB QDR IV板上内存。

（图片来自英特尔）

对于英特尔的FPGA加速卡产品而言，它们最大的优势之一就是英特尔在数据中心处理器领域的核心支配地位。由于英特尔Xeon处理器占据了数据中心市场的x86处理器的绝大部分市场份额，因此无论何家的FPGA加速卡都必须针对Xeon处理器做大量的兼容性设计和优化，而英特尔FPGA在这方面有着先天的血统优势。这也使得英特尔成为目前唯一一个能够提供全栈式数据中心解决方案的公司。

此外，英特尔与各大服务器制造商保持着良好的合作关系，因此包括戴尔、HPE、富士通等服务器制造商会很自然的在自家的服务器产品中加入并销售基于英特尔FPGA的加速卡。然而，这对于其他FPGA厂商而言就没有那么水到渠成，他们往往很难说服服务器厂商或者客户在已经内置了FPGA的服务器中，再花费额外的成本，并冒着兼容性的风险去添加其他的FPGA加速器。