云服務(wù)器FPGA架構(gòu)及其電源方案初探

作者：Cyntec

前言

隨著高性能計(jì)算和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展以及大數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長，人工智能的算法設(shè)計(jì)理念發(fā)生了轉(zhuǎn)變。人工建立算法的做法被計(jì)算機(jī)通過從大數(shù)據(jù)中自動(dòng)學(xué)習(xí)的方法所取代，使得計(jì)算機(jī)視覺、語音識(shí)別、自然語言處理等關(guān)鍵領(lǐng)域都出現(xiàn)了重大突破。深度學(xué)習(xí)是這些領(lǐng)域中最常使用的技術(shù)，也被業(yè)界大為關(guān)注。然而，深度學(xué)習(xí)模型需要極為大量的數(shù)據(jù)和計(jì)算能力，只有更好的硬件加速條件，才能滿足現(xiàn)有數(shù)據(jù)和模型規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大的需求?，F(xiàn)有的解決方案使用圖形處理單元（GPU），盡管 GPU 對(duì)深度學(xué)習(xí)算法而言在性能方面是一種更好的選擇，但其功耗太高使得應(yīng)用也受到很大限制。

今天的 CPU 一直無法滿足當(dāng)前計(jì)算密集型應(yīng)用（如機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析和視頻處理等）的需求。加上網(wǎng)絡(luò)與存儲(chǔ)方面日益明顯的瓶頸，云服務(wù)供貨商轉(zhuǎn)而采用加速器來提高其云數(shù)據(jù)中心的整體吞吐量和效率。

亞馬遜、微軟和百度等大型云端服務(wù)供貨商已宣布在其超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心部署 FPGA 技術(shù)，推動(dòng)其服務(wù)業(yè)務(wù)在競爭極為激烈的市場不斷發(fā)展。FPGA 能與高度靈敏的云計(jì)算環(huán)境形成全面互補(bǔ)，因?yàn)樗鼈儾粌H可程序設(shè)計(jì)性，而且還能針對(duì)任何新應(yīng)用或新算法進(jìn)行硬件優(yōu)化。

圖 一 服務(wù)器部署 FPGA 的架構(gòu)

隨著時(shí)間的推移，F(xiàn)PGA 可重配置及可再程序設(shè)計(jì)的固有能力或許是其在快速發(fā)展領(lǐng)域中的最大優(yōu)勢(shì)。FPGA 可利用動(dòng)態(tài)重配置，在不到一秒的時(shí)間內(nèi)針對(duì)不同設(shè)計(jì)快速變化，從而可針對(duì)新的工作負(fù)載進(jìn)行硬件優(yōu)化。 因此，F(xiàn)PGA 能提供復(fù)雜多變超大規(guī)模應(yīng)用所需的靈活性、應(yīng)用廣度和功能速度，這是 GPU 和定制 ASIC 無法實(shí)現(xiàn)的。其實(shí)FPGA不僅在計(jì)算的加速具有良好效果，其也可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的加速，F(xiàn)PGA可為云服務(wù)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)帶來綜合的提升。

FPGA作為一個(gè)加速卡，已經(jīng)有幾十年的歷史。但是在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用有所不同，F(xiàn)PGA首先要提供云服務(wù)，能夠滿足大規(guī)模部署和運(yùn)維的需求，滿足云服務(wù)的特性，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控管理、在線動(dòng)靜態(tài)邏輯的重構(gòu)，也需要支持各種虛擬機(jī)訪問以及支持各種驅(qū)動(dòng)兼容性，整個(gè)加速卡也需要有更高的RAS特性，這些在服務(wù)器里面，可能是比較通用的性質(zhì)，但是先前的FPGA加速卡，并沒有這類應(yīng)用場景需求，也不具備這些特性，存在很大缺失。FPGA更重要的是一種FaaS（FPGA as a Service）服務(wù)，一種方案能夠?qū)④浖?、算法和硬件板卡集成，以軟硬一體化的形式。FaaS圍繞深度學(xué)習(xí)預(yù)測、視音頻處理、基因測序、金融分析、IoT等熱點(diǎn)行業(yè)提供了非常完備的解決方案。

圖 二 FaaS（FPGA as a Service）

云端運(yùn)算數(shù)字多臺(tái)并聯(lián)DC-DC電源模塊，可應(yīng)用之輸入電壓范圍從8.0~15V，輸出電壓則為0.6~1.8V，IC操作頻率為500KHz，搭載尺寸13.5x13.7mm，雙組電感，感值為0.2uH電感，另為了滿足數(shù)字化的需求及提供監(jiān)控方法，我們采用I2C通訊協(xié)議作為客戶取得模塊內(nèi)部信息，如下表。

表 3 設(shè)計(jì)目標(biāo)規(guī)格

1. 電路架構(gòu)

根據(jù)下圖三為整合具備數(shù)字及并聯(lián)能力的控制IC與高積體MOSFET及雙線圈厄流器（Power Choke），透電路設(shè)計(jì)，計(jì)算出電感之感量需求，以及減少銅線線圈及磁性粉材量，進(jìn)而開發(fā)出市面上大功率數(shù)字DC-DC 模塊。圖四為四組并聯(lián)線路，依據(jù)單組模塊進(jìn)行并聯(lián)使用，可在現(xiàn)有輸出60A以下再增加輸出電流至200A，采用PM-Bus Interface 控制方法，并且利用I2C傳輸接口控制各模塊輸出電壓、偵測輸出電流、溫度以及控制每個(gè)模塊電流均流。

圖三、云端運(yùn)算數(shù)字DC-DC電源模塊（Block diagram）

圖四 云端運(yùn)算數(shù)字DC-DC電源模塊并聯(lián)模式（Block diagram）

2. 電性特性比較

根據(jù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測分析，我司生產(chǎn)制作大功率數(shù)字DC-DC 產(chǎn)品，其效率優(yōu)于市面上產(chǎn)品，因?yàn)槲覀儾捎枚褩Ｖ瞥蹋瑢㈦姼卸褩Ｖ聊K上方，利用銅柱搭接，增加電流路徑，降低損耗，并且選用高積體 MOSFET 減少開關(guān)切換的損耗，依據(jù)以上原因進(jìn)而提高滿載整體效率。

圖五、模塊效率量測

3. 模塊并聯(lián)均流

MSN12AD60-RUD 該模塊具備自動(dòng)均流的功能，并且此功能再多顆模塊并聯(lián)時(shí)，也能夠及時(shí)運(yùn)算并且調(diào)整各組模塊的電流一致性，防止在并聯(lián)時(shí)模塊發(fā)生功率不一致。圖量測模塊電感電流

圖六、模塊輸出電流均流

圖七、動(dòng)態(tài)模塊輸出電流均流

4. PMBus通訊協(xié)議測試

因我司研發(fā)的大功率數(shù)字模塊，采用PMbus通訊協(xié)議并且利用I2C傳輸，可以藉由PC搭配GUI與DONGLE（圖19） 進(jìn)而對(duì)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與控制輸出電壓，因此這邊針對(duì)該功能進(jìn)行測試。

圖八、PMbus 系統(tǒng)架構(gòu)

圖 九、GUI實(shí)測狀態(tài)

Cyntec利用GUI該套軟件，可以直接監(jiān)控模塊目前狀況以及，錯(cuò)誤訊息，上圖可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測部分輸入電壓、輸出電壓以及電流與溫度，右側(cè)可以顯示目前模塊的狀態(tài)，是否有錯(cuò)誤訊息。

圖 十Labview 測試狀態(tài)

Cyntec利用Labview 撰寫程序仿真MCU在工作的時(shí)候，送入PMbus 訊號(hào)，也是可以監(jiān)控模塊目前狀態(tài)以及系統(tǒng)參數(shù)。