雲端計算中，FPGA是一種什麼樣的存在？
我們這個世界對於雲端計算和大數據的依賴越來越高。對用戶來說這是一件好事，但對雲端的開發者來說，則意味著越來越大的壓力。
這種壓力來自兩個方面。一個是彙聚到雲端的資料量越來越大——據IDC的統計，2016年全球資料存量為16ZB，預計到2020年將超過40ZB，而2025年則會激增至160ZB。與指數級增長的資料量相伴隨的，則是對這些資料計算和處理需要的高速增長，特別是隨著人工智慧（AI）的興起，對雲端計算資源的消費量大大增加。資料量和資料處理要求兩個因素疊加，使得我們對雲端算力需求的增速超出想像。
在過去相當長的一段時間，這個世界上算力提升的動力主要來自於摩爾定律，每18-24個月提升一倍的積體電路性能，奠定了當今這個互聯世界的基石。而時至今日，受制於半導體工藝的極限，摩爾定律定義的速度已經減緩，由其帶來的紅利正在消失。因此在面對雲端計算越來越大的“胃口”時，在摩爾定律之外，人們需要尋找另一個能讓算力加速的支點，這個支點就是新的計算架構。
FPGA的勝出
一個理想的高性能雲端計算加速架構，概括起來需要有以下幾個特性：第一是高吞吐能力，以應對大量資料處理的需要；第二是低延時，能夠對即時聯網設備進行回應；第三是高性能功耗比，為更高密度的雲計算創造可能；最後是靈活性，能夠跟上不斷演化的演算法和應用的腳步。
目前可用於雲端計算加速的架構無非是以下幾種：CPU、GPU、FPGA和AICS。如果按照上述的“任職條件”去仔細篩選，人們發現與其他幾種結構相比，FPGA就是那個要找的Mr. Right！
- 在性能方面，由於FPGA擺脫了馮·諾依曼結構的限制，可以針對特定應用演算法定制硬體架構，具備ASIC高性能的特質，可支援更高的資料吞吐。
- 在延遲性方面，FPGA不但可以實現資料並行，還可以實現流水線並行，可達到微秒級的延時，這也是其與同樣高算力的GPU相比最明顯的一個競爭優勢。
- 在可擴展性方面，基於FPGA的可程式設計性和豐富的IO管腳，其可以在資料中心裡面扮演多面手，除了計算，也可支援和適應存儲、網路等方面演算法的演進發展要求。
- 在功耗方面：更先進的半導體工藝，加之優化的演算法，令FPGA可在特定應用中實現比CPU、GPU更佳的性能功耗比。
- 在靈活性方面：這自然是FPGA與ASIC相比最引以為豪的強項，而且FPGA適於與CPU等計算架構結合形成CPU+FPGA異構計算平臺，讓最合適的架構去做其最擅長計算加速，以實現系統最優。
圖1，不同計算架構的性能比較（資料來源：華為雲）
FPGA上雲之路
正是由於FPGA上述的這些優勢，讓人們將是視為實現雲計算加速的重要技術路徑，FPGA的上“雲”之旅也由此開啟。從FPGA在雲計算中的實際“戰果”來看，它確實沒有讓人們失望！
比如，2014年微軟在一篇論文中，分享了微軟Catapult專案團隊通過在資料中心1632台伺服器中部署FPGA，對必應（Bing）搜尋引擎的檔排名運算進行硬體加速，獲得了高達95%的輸送量提升。這樣的事實，也讓其他雲計算平臺部署FPGA的信心大增。
騰訊是國內較早嘗試FPGA計算加速的互聯網公司，在他們的JPEG至WebP網路圖片的轉碼嘗試中，FPGA處理延時相比CPU降低20倍，處理性能則是CPU的6倍，而FPGA單位成本僅為通用CPU的1/3。由此，騰訊也成為了FPGA雲計算加速最積極的擁躉之一。
近年來隨著AI應用的興起，越來越多的公司開始嘗試將FPGA應用在雲端深度學習演算法加速中，且頗有斬獲。如百度從2013年就開始嘗試將FPGA應用在DNN，RNN，CNN，LSTM等深度學習模型中，目前百度已經開放了基於FPGA的深度卷積神經網路加速服務，單卡提供3Tops的定點計算能力，支援典型深度卷積網路運算元，為VggNet、GoogLeNet、ResNet等提供高效加速。可見，今天AI已經成為加速FPGA在雲計算中部署的重要推手。
圖2，FPGA在網路圖片轉碼加速應用中，與CPU相比優勢明顯（圖片來源：騰訊雲）
FPGA雲端服務
隨著FPGA在雲計算中越來越受寵，一種基於FPGA的新型的雲服務也應運而生，這就是FPGA雲服務。它已經成為亞馬遜、百度雲、騰訊雲、華為雲等雲計算頭部玩家的一致選擇。
FPGA雲伺服器就是在雲計算環境中配備FPGA的計算實例，使用者可以通過購買FPGA實例，快速讓自己特定的應用實現FPGA硬體加速。可以說，雲計算廠商在引入FPGA之初，可能是為了滿足自己一個或幾個特定雲計算加速所需，而在廣泛部署之後會發現，完全可以將FPGA計算資源“打包”起來，作為一種可以變現的雲服務，銷售給雲計算用戶。
而對於雲計算用戶來說，就像當初購買雲伺服器而無需自己運維一個複雜的IT計算系統一樣，現在當需要在某個應用演算法中採用FPGA進行加速時，也不需要去構架和開發自己的FPGA硬體系統，而通過購買雲計算廠商的FPGA雲服務即可實現！
FPGA雲服務的出現不僅讓雲計算廠商可變現的服務組合更為豐富，往深一層去想，此舉也會對未來FPGA的應用開發生態產生深刻影響，進一步降低FPGA用戶的門檻，讓FPGA加速服務觸手可及。實際上，已經有“不差錢”的雲服務廠商在沿著這個方向去發力。
綜上所述，從當初在一眾計算架構比拼中脫穎而出，到在實戰中證明自己的實力，再到今天成為新興雲服務的核心，FPGA在雲計算中的存在感越來越強，而這一切僅僅是個開始。未來你還有什麼奇思妙想需要“加速”，盡可以來一試。
圖3，為了因應雲計算所需，安富利開發的基於Xilinx FPGA的加速解決方案（圖片來源：安富利）
