Xilinx SDAccel 環(huán)境：為數(shù)據(jù)中心帶來最佳單位功耗性能

　　引言

　　數(shù)據(jù)中心運(yùn)維人員總是不斷在尋求更高的服務(wù)器性能。目前，他們主要是通過易于編程的多核CPU 和GPU 來開發(fā)應(yīng)用，但CPU 和GPU 都遇到了單位功耗性能的瓶頸壁壘。從事海量數(shù)據(jù)中心應(yīng)用開發(fā)（如密鑰加速、圖像識(shí)別、語音轉(zhuǎn)錄、加密和文本搜索等）的設(shè)計(jì)人員既希望GPU 易于編程，同時(shí)又希望硬件具有低功耗、高吞吐量和最低時(shí)延功能。然而，多核CPU和GPU 加速器在可擴(kuò)展性上存在嚴(yán)重的問題：客戶希望用簡單的全高度插入式PCIe開發(fā)板作為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的應(yīng)用加速器。這種開發(fā)板經(jīng)配置可運(yùn)行高功率圖形卡，但客戶同時(shí)希望功耗不超過25W，以便最大化可擴(kuò)展性并最小化總功耗。

　　最近賽靈思同瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）聯(lián)合開展的一系列研究發(fā)現(xiàn)，基于FPGA 的應(yīng)用加速想比CPU/GPU實(shí)現(xiàn)方案，單位功耗性能可提升25 倍，而時(shí)延則縮短了50 到75 倍，與此同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)出色的I/O 集成（PCIe、DDR4SDRAM 接口、高速以太網(wǎng)等）。換言之，F(xiàn)PGA 能在單芯片上提供高能效硬件應(yīng)用加速所需的核心功能，并同時(shí)提供每個(gè)開發(fā)板目標(biāo)功耗低于25W 的的解決方案。

　　中國網(wǎng)絡(luò)服務(wù)領(lǐng)先企業(yè)百度公司在美國加州圣何塞舉行的2014年熱門芯片研討會(huì)上介紹了支持性調(diào)查結(jié)果。百度的結(jié)論如下：

　　? 中端FPGA 能夠?qū)崿F(xiàn)375 GFLOPS 的性能，功耗僅為10-20W

　　? 基于FPGA 的加速器可部署在所有類型的服務(wù)器中。

　　? 和CPU 和GPU 相比， FPGA 在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）預(yù)測系統(tǒng)中性能更加出色。DNN 系統(tǒng)用于語言識(shí)別、圖像搜索、OCR、面部識(shí)別、網(wǎng)頁搜索以及自然語言處理等各種不同應(yīng)用。

　　FPGA 用于應(yīng)用加速的最大問題在于編程。數(shù)據(jù)中心應(yīng)用開發(fā)人員不希望采用以硬件為中心的RTL 流程，也就是傳統(tǒng)FPGA的開發(fā)路徑。他們所需要的是：

　　? 單位功耗性能更高

　　? 完全軟件的開發(fā)環(huán)境

　　? 易于升級(jí)的設(shè)計(jì)

　　推出全新賽靈思SDAccel 環(huán)境

　　全新的賽靈思SDAccel 開發(fā)環(huán)境為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用開發(fā)人員提供了他們所需要的完整的FPGA 軟硬件解決方案。SDAccel 包括可高效利用片上FPGA 資源的快速的、架構(gòu)優(yōu)化的編譯器；熟悉的軟件開發(fā)流程—— 其帶有用于代碼開發(fā)、特性分析與調(diào)試的Eclipse 集成設(shè)計(jì)環(huán)境（IDE），可提供類似于CPU/GPU 的工作環(huán)境；以及針對(duì)不同數(shù)據(jù)中心應(yīng)用而優(yōu)化的動(dòng)態(tài)可重配置加速器，能在類似CPU/GPU 運(yùn)行時(shí)間環(huán)境中即時(shí)更換。運(yùn)行過程中應(yīng)用能讓不同處理模塊在FPGA 中即時(shí)替換，且不會(huì)干擾服務(wù)器CPU 和FPGA 之間的連接，實(shí)現(xiàn)不間斷的應(yīng)用加速。

　　SDAccel 結(jié)合業(yè)界首款架構(gòu)優(yōu)化編譯器、庫和開發(fā)板，是唯一能在FPGA 上提供類似于CPU/GPU 的開發(fā)和運(yùn)行時(shí)間體驗(yàn)。SDAccel 開發(fā)環(huán)境面向基于X86 服務(wù)器處理器的主機(jī)系統(tǒng)，并可提供現(xiàn)成的商用（COTS）PCIe 插卡，用于添加FPGA 功能。

　　行業(yè)首款面向C、C++ 和OpenCL 的架構(gòu)優(yōu)化編譯器

　　SDAccel 的架構(gòu)優(yōu)化編譯器使軟件開發(fā)者能夠優(yōu)化并編譯流媒體、低時(shí)延以及定制數(shù)據(jù)路徑應(yīng)用。SDAccel 編譯器主要針對(duì)高性能賽靈思FPGA 并支持OpenCL，C 和C++ 任意組合的源代碼。SDAccel 編譯器相比高端CPU 性能提高達(dá)10 倍，而功耗僅為GPU 的1/10，同時(shí)能保持代碼的兼容性和一個(gè)傳統(tǒng)的軟件編程模式，以便于應(yīng)用移植并節(jié)約成本。根據(jù)客戶基準(zhǔn)，SDAccel 編譯器相比同類競爭FPGA 解決方案，性能和資源效率均提升了3 倍。SDAccel 編譯器自動(dòng)生成的設(shè)計(jì)甚至比手動(dòng)編碼的RTL 設(shè)計(jì)方案的性能還高，在某些情況下可高出20% 之多。

　　架構(gòu)優(yōu)化的SDAccel 編譯器可以自動(dòng)對(duì)應(yīng)用源代碼實(shí)施一系列基礎(chǔ)甚至高級(jí)的優(yōu)化方案。下表列出了SDAccel 編譯器針對(duì)加速應(yīng)用所進(jìn)行的一系列優(yōu)化。

　　其中一些自動(dòng)優(yōu)化能大幅提升整體應(yīng)用的效率。舉例來說，SDAccel 編譯器的數(shù)據(jù)流流水線功能可對(duì)多個(gè)功能進(jìn)行流水線化，而不會(huì)局限于僅能對(duì)單一功能進(jìn)行優(yōu)化。該編譯器的存儲(chǔ)器優(yōu)化功能能極大地提升功效，從而讓你能夠在FPGA 中添加更多功能。SDAccel 是首款面向FPGA 平臺(tái)的完全軟件的開發(fā)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)類似于CPU/GPU 的開發(fā)體驗(yàn)。開發(fā)人員能用熟悉的工作流程優(yōu)化應(yīng)用，而且即便很少或者沒有FPGA 使用經(jīng)驗(yàn)，也能獲益于FPGA 的平臺(tái)優(yōu)勢。集成設(shè)計(jì)環(huán)境（IDE）不僅可提供編碼模板和軟件庫，而且還支持在x86 平臺(tái)上進(jìn)行編譯、調(diào)試、特性分析和FPGA 仿真。準(zhǔn)備好部署后，IDE 能在配有自動(dòng)儀器插入功能的數(shù)據(jù)中心用現(xiàn)成的商用 FPGA 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)算法。

　　SDAccel 還經(jīng)過精心構(gòu)建，使CPU/GPU 開發(fā)人員能夠輕松將其應(yīng)用移植到FPGA 上，同時(shí)還可在熟悉的工作流程中維護(hù)和復(fù)用OpenCL、C 和C++ 代碼。大量代碼和庫采用C 和C++ 格式。對(duì)于希望采用其現(xiàn)有代碼庫中的不同代碼，或者采用第三方代碼庫，甚至繼續(xù)組合使用C、C++ 或OpenCL 進(jìn)行開發(fā)的開發(fā)者來說，能用C、C++ 或OpenCL 工作是最大的便利。

　　SDAccel 環(huán)境配套提供面向程序員的Eclipse IDE 以及一系列基于C 語言的FPGA 優(yōu)化庫和數(shù)據(jù)中心用現(xiàn)成商用平臺(tái)。Convey Computer、Alpha Data Parallel Systems 和Pico Computing 公司可提供數(shù)據(jù)中心用加速板卡。2015 年年初還將增加更多商用現(xiàn)貨（COTS）合作伙伴。SDAccel 庫包括內(nèi)置OpenCL 函數(shù)、DSP、視頻和線性代數(shù)庫，能支持高性能低功耗實(shí)現(xiàn)方案。針對(duì)特定領(lǐng)域加速，賽靈思聯(lián)盟合作成員Auviz Systems 公司還提供優(yōu)化的 OpenCV 和BLAS SDAccel 兼容庫。

　　應(yīng)用開發(fā)人員完全能在X86 仿真空間開始使用SDAccel 使其代碼開始工作。一旦其確信其算法開發(fā)人員就能對(duì)代碼進(jìn)行特性分析，找到受益于加速的代碼片段。然后開發(fā)人員就可以利用這些有針對(duì)性的片段，無縫采用快速自動(dòng)生成的周期精確內(nèi)核仿真，從而實(shí)現(xiàn)加速。這些快速仿真可用來調(diào)試和優(yōu)化加速量，同時(shí)能在架構(gòu)層面工作。業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的應(yīng)用能方便地移植到主機(jī)/FPGA 系統(tǒng)。SDAccel 開發(fā)環(huán)境可支持所有這些來自同一控制中心（cockpit）的活動(dòng)。

　　SDAccel 庫對(duì)SDAccel 類似CPU/GPU 的開發(fā)體驗(yàn)發(fā)揮了重要作用。這些庫包含底層數(shù)學(xué)庫以及BLAS、OpenCV 和DSP 等高生產(chǎn)力庫。這些庫用C++（而不是用RTL）編寫，因此在所有開發(fā)和調(diào)試階段都能完全像編寫一樣使用。在項(xiàng)目早期階段，所有開發(fā)工作都在CPU 主機(jī)上進(jìn)行。由于SDAccel 庫用C++ 語言編寫，因此能與CPU 目標(biāo)的應(yīng)用代碼一起編譯，創(chuàng)建虛擬設(shè)計(jì)原型，讓所有測試、調(diào)試和初始特性分析工作在主機(jī)上進(jìn)行。在此階段無需FPGA。

　　一旦應(yīng)用經(jīng)過初始調(diào)試和特性分析，需要硬件加速的關(guān)鍵功能可通過編譯實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真，加速功能運(yùn)行在基于CPU 的RTL仿真器上。這時(shí)，軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)可觀察所得的性能，確定應(yīng)用能否滿足性能目標(biāo)要求。RTL 仿真能準(zhǔn)確給出FPGA 硬件加速的性能情況，這就能讓開發(fā)團(tuán)隊(duì)得到很好的性能估算，而且能高度確保所得的FPGA 配置能精確重現(xiàn)應(yīng)用源代碼的行為和結(jié)果。

　　加速功能隨后可遷移到FPGA 上，生成最后的加速應(yīng)用，可用于部署。SDAccel 編譯器不是創(chuàng)建通用FPGA 配置，而是在編譯時(shí)針對(duì)特定的賽靈思FPGA，包括器件速度等級(jí)，這樣所得的加速功能就能針對(duì)FPGA 上的可用資源以及器件時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化。在這時(shí)我們甚至還能測試功能，這對(duì)性能不會(huì)造成影響，硬件開銷極低，而且還能在同樣熟悉的SDAccel 開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行更多后期特性分析，以便充分利用FPGA 硬件，全面最大化應(yīng)用加速效果。

　　CPU 級(jí)特性分析能發(fā)現(xiàn)應(yīng)用瓶頸。協(xié)同仿真將告訴您這些瓶頸是否已經(jīng)被加速特定功能消除掉。在FPGA 上對(duì)硬件加速功能進(jìn)行特性分析能實(shí)現(xiàn)更多優(yōu)化，進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用代碼和加速功能。在任何時(shí)間以及各個(gè)階段中，SDAccel 編譯器都可選擇性地檢測應(yīng)用代碼，包括加速功能，這就意味著調(diào)試和特性分析能夠以相同方式進(jìn)行，而且無論開發(fā)工作進(jìn)入到哪個(gè)階段，都可用使用同一軟件開發(fā)工具。

　　在FPGA 上首次帶來類似CPU/GPU 的運(yùn)行時(shí)間和升級(jí)體驗(yàn)

　　SDAccel 可提供支持實(shí)時(shí)類似CPU/GPU 運(yùn)行時(shí)間升級(jí)的唯一FPGA 動(dòng)態(tài)可重配置加速器。SDAccel 對(duì)于FPGA 解決方案的獨(dú)特之處在于其利用唯一的FPGA 動(dòng)態(tài)重配置功能可在內(nèi)核升級(jí)時(shí)保持系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，這不僅可加載新的硬件加速器內(nèi)核（這一點(diǎn)與CPU/GPU 加速器的功能類似），同時(shí)還能保持關(guān)鍵的系統(tǒng)接口和功能（如存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)、PCIe 和性能監(jiān)控器）繼續(xù)發(fā)揮作用。這種即時(shí)的系統(tǒng)重配置功能理想適用于數(shù)據(jù)中心計(jì)算需求及負(fù)載的立即更新。這種應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例就是圖像搜索、視頻轉(zhuǎn)碼和圖像處理等功能的即時(shí)切換，從而帶來戰(zhàn)略性優(yōu)勢。

　　所有這些都能通過硬件重用轉(zhuǎn)換為資源優(yōu)化，這在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中是一大優(yōu)勢。簡而言之，基于SDAccel 的系統(tǒng)現(xiàn)在能加速應(yīng)用，而如果未來需要另外一種類型的加速，系統(tǒng)能快速順利地實(shí)現(xiàn)升級(jí)。

　　開發(fā)者可以管理和運(yùn)行基于SDAccel 的系統(tǒng)就像在CPU/GPU 系統(tǒng)一樣。利用SDAccel 和硬件快速動(dòng)態(tài)重配置功能，我們甚至能在應(yīng)用運(yùn)行中重用FPGA。這種功能使得我們能用相同的FPGA 板卡執(zhí)行不同的內(nèi)核加速，硬件可針對(duì)不同的算法進(jìn)行重新優(yōu)化，且不會(huì)限制或中斷應(yīng)用流程。通過支持動(dòng)態(tài)重配置，SDAccel 能讓數(shù)據(jù)中心運(yùn)維人員最大限度地發(fā)揮硬件加速投資價(jià)值。

　　實(shí)實(shí)在在的標(biāo)準(zhǔn)測試可證明SDAccel 的性能和價(jià)值

　　SDAccel 經(jīng)過了具有實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)測試的業(yè)界驗(yàn)證。舉例來說，在壓縮標(biāo)準(zhǔn)測試中，SDAccel 生成的硬件加速器比同類競爭工具生成的加速器速度高3 倍多，尺寸小3 倍。占位面積及吞吐量與手動(dòng)優(yōu)化的RTL 實(shí)現(xiàn)方案旗鼓相當(dāng)甚至更優(yōu)秀。

　　在上述的加密標(biāo)準(zhǔn)測試中，SDAccel 生成的硬件加速器比同類競爭工具生成的加速器速度快1.2 倍，而面積小4 倍。更棒的是，SDAccel 自動(dòng)生成的加速器比用RTL 手動(dòng)編碼生成的加速器還快20%。SDAccel 開箱即用，可直接編加速器，而且QOR（結(jié)果質(zhì)量）與手動(dòng)編碼結(jié)果質(zhì)量旗鼓相當(dāng)，甚至更勝一籌。

　　結(jié)論

　　SDAccel 可滿足數(shù)據(jù)中心應(yīng)用開發(fā)人員的需求，包括提供類似CPU/GPU 的工作環(huán)境，其生成的高效硬件加速器可實(shí)現(xiàn)最佳單位功耗性能，遠(yuǎn)勝于運(yùn)行在CPU/GPU 上的加速器。SDAccel 通過帶有系統(tǒng)內(nèi)即時(shí)可重配置功能的單個(gè)控制中心環(huán)境（cockpit environment）支持軟件工作流程，最大化數(shù)據(jù)中心硬件加速投資回報(bào)。因此，SDAccel 是一種獨(dú)特而完整的FPGA解決方案，其易用性和功能遠(yuǎn)超同類競爭性工具。這些同類競爭性工具不能提供高生產(chǎn)力工作流程，也不能提供熟悉的環(huán)境，加速器性能更不能與SDAccel 自動(dòng)生成的硬件加速器相提并論。