下一個(gè)突破性創(chuàng)新數(shù)字業(yè)務(wù)模式：神經(jīng)可塑性“云”

　　曾經(jīng)認(rèn)為人腦的結(jié)構(gòu)是不變的，其神經(jīng)元在幼年即已定型。后來研究證明人腦實(shí)際上是可塑的：為了對(duì)環(huán)境激勵(lì)做出響應(yīng)并借助思維行為本身，人腦在動(dòng)態(tài)地改變自己的結(jié)構(gòu)、功能和神經(jīng)連接，甚至通過神經(jīng)再生長出新的神經(jīng)元。而且這種神經(jīng)可塑性會(huì)一直持續(xù)到老。

　　這種經(jīng)證明的人腦可塑性正在開啟基于靈活、強(qiáng)大、量身定制的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù) (IaaS) 的突破性創(chuàng)新數(shù)字業(yè)務(wù)模型?；诳啥ㄖ圃频?IaaS 有望通過綜合與請(qǐng)求的服務(wù)有關(guān)的優(yōu)化計(jì)算來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性產(chǎn)品差異化，交付特定的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)，為最終用戶帶來增值。這種模式要求特別關(guān)注高計(jì)算強(qiáng)度功能或應(yīng)用背后的計(jì)算機(jī)架構(gòu)性能、定制化和安全性等設(shè)計(jì)參數(shù)。已經(jīng)出現(xiàn)在可重配置硬件技術(shù)的 DNA 中并且現(xiàn)在可部署到 FPGA 驅(qū)動(dòng)的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的這些技術(shù)特性，正準(zhǔn)備改變數(shù)字化業(yè)務(wù)的游戲規(guī)則。

　　神經(jīng)可塑性和云計(jì)算

　　近期神經(jīng)科學(xué)的最新進(jìn)展已經(jīng)顯示我們通過采用新的思維模式和行為方式就可以輕松地重塑自己的大腦。大腦和神經(jīng)系統(tǒng)用于定位行為的神經(jīng)路徑連接著大腦中相對(duì)較遠(yuǎn)的區(qū)域，而且每一個(gè)路徑都與特定的領(lǐng)域或行為息息相關(guān)。新的思維和技能一旦出現(xiàn)，就會(huì)鋪設(shè)新的路徑。每次我們思考、感受或做什么事情的時(shí)候，我們就會(huì)通過重復(fù)練習(xí)來強(qiáng)化相關(guān)路徑，直至行為成為習(xí)慣。

　　隨著神經(jīng)科學(xué)深化我們對(duì)大腦的理解，云計(jì)算技術(shù)在過去十年已取得長足發(fā)展，通過互聯(lián)網(wǎng)為世界各地?cái)?shù)十億用戶提供計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)和存儲(chǔ)服務(wù)。個(gè)人、企業(yè)及其他機(jī)構(gòu)正在盡情享用存儲(chǔ)、視頻、消息傳輸、社交網(wǎng)絡(luò)、線上游戲和 Web 搜索等云服務(wù)。云服務(wù)不止是一種 IT 現(xiàn)象;它越來越多地成為企業(yè)在發(fā)展自己的業(yè)務(wù)的同時(shí)借助不斷提升的計(jì)算能力降低成本、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的動(dòng)力。行業(yè)觀察家

　　已預(yù)計(jì)未來數(shù)年 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的主要開支將投入在云平臺(tái)和應(yīng)用上。

　　這就是說我們能否在發(fā)現(xiàn)神經(jīng)可塑性和云計(jì)算爆炸式增長之間找到某種關(guān)系，可能激發(fā)新的數(shù)字業(yè)務(wù)模式?

　　試想對(duì)人的神經(jīng)系統(tǒng)的天生神經(jīng)可塑性進(jìn)行抽象，并將這個(gè)概念直接移植到云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)上。通過支持 FPGA 和 SoC 器件中可用的可重配置硬件技術(shù)，突破性 IaaS 模式可根據(jù)任何給定時(shí)間客戶提出的特定需求來適配和優(yōu)化分布在任何云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器計(jì)算機(jī)架構(gòu)，從而得到的計(jì)算轉(zhuǎn)化為增值。為強(qiáng)化神經(jīng)科學(xué)類比，我們使用

　　眾多研發(fā)團(tuán)隊(duì)深信 FPGA 是云計(jì)算服務(wù)器中的應(yīng)用專用加速器的未來實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

　　“神經(jīng)可塑性云”一語來描述將軟核處理器與可編程邏輯融合在一起 (FPGA) ，以提供異構(gòu)硬件-軟件處理生態(tài)系統(tǒng)的物理云計(jì)算架構(gòu)。通過這種生態(tài)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器可根據(jù)云中使用的特定應(yīng)用定制和適配自己的計(jì)算能力。

　　這一概念激勵(lì)的是一種云計(jì)算模式的轉(zhuǎn)變。在這種轉(zhuǎn)變中，任何給定計(jì)算“大腦”的適配能力，一旦該“大腦”在可重配置硬件中綜合為移植到云端的定制計(jì)算單元，就能提供與在嚴(yán)格和特定的計(jì)算要求(往往通過今天的標(biāo)準(zhǔn)云解決方案無法實(shí)現(xiàn))下履行云服務(wù)的數(shù)字業(yè)務(wù)相比明顯的競爭優(yōu)勢。能從這種方法中獲益的應(yīng)用領(lǐng)域包括金融趨勢分析、實(shí)時(shí)醫(yī)療成像處理、生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、基因組測序、能源/石油/天然氣分配實(shí)時(shí)控制、大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)。

　　把可重配置硬件技術(shù)引入到云計(jì)算領(lǐng)域的理念肇始于學(xué)術(shù)研究?？芍嘏渲糜?jì)算社區(qū)一段時(shí)間以來一直在探索將 FPGA 與通用處理器相結(jié)合的機(jī)會(huì)，而且眾多研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確信 FPGA 是未來的云計(jì)算服務(wù)器中應(yīng)用專用加速器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。這一理解尚未轉(zhuǎn)化為廣泛可用的商用解決方案;但微軟、IBM、英特爾、高通和百度等云技術(shù)主導(dǎo)企業(yè)加上 FPGA 廠商正在極力倡導(dǎo)將 FPGA 用于數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載的優(yōu)化。

　　在這個(gè)數(shù)字服務(wù)經(jīng)濟(jì)推動(dòng)云計(jì)算增長的時(shí)代，云計(jì)算利益相關(guān)方逐漸認(rèn)識(shí)到，數(shù)據(jù)中心采用 FPGA 比采用其它可用替代方案，能提供更高的性能功耗比。這意味著云服務(wù)提供商會(huì)很快有新的策略，用于交付為

　　他們的客戶的特定需求定制的計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)，并通過響應(yīng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)安全，當(dāng)然還包括性能等有意義的 QoS 參數(shù)加以量化。任何數(shù)字化企業(yè)的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)都會(huì)隨著可重配置硬件技術(shù)的部署發(fā)生明顯變化，直至企業(yè)停止把基礎(chǔ)架構(gòu)當(dāng)作商品對(duì)待，而是將其當(dāng)作業(yè)務(wù)價(jià)值鏈中的關(guān)鍵一環(huán)來使用。

　　三大內(nèi)在屬性支撐著提議的基于可重配置硬件的神經(jīng)塑性云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)：高性能(以更快速度得到結(jié)果)、靈活性(經(jīng)優(yōu)化的計(jì)算，采用完全適配將要運(yùn)行的特定應(yīng)用的架構(gòu))和安全性(從設(shè)計(jì)提供的數(shù)據(jù)隱私、加密和防范網(wǎng)絡(luò)安全威脅的保護(hù))。綜合運(yùn)用這些特征有望促成數(shù)字業(yè)務(wù)時(shí)代的突破性創(chuàng)新。

　　高性能計(jì)算走向云端

　　高性能計(jì)算 (HPC) 基本上是指使用并行處理功能高效、可靠、迅速地運(yùn)行高級(jí)應(yīng)用程序。過去高性能計(jì)算的使用權(quán)局限于學(xué)術(shù)界、工程師和科學(xué)家。實(shí)際上，高性能計(jì)算幾乎成為超級(jí)計(jì)算中心的代名詞，用于處理理論物理模型仿真的復(fù)雜計(jì)算。高性能計(jì)算的典型應(yīng)用領(lǐng)域包括氣候建模、碰撞仿真和生物信息學(xué)。這些領(lǐng)域在性質(zhì)上就是高計(jì)算強(qiáng)度的。

　　云計(jì)算讓高性能計(jì)算走入尋常百姓家。隨著時(shí)間推移，對(duì)這一計(jì)算能力的需求正在超越傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算中心，延伸到公有云、私有云、混合云、社區(qū)云乃至個(gè)人云中，用戶通過便攜式甚至是可穿戴嵌入式設(shè)備就能夠使用。

　　對(duì)許多服務(wù)和應(yīng)用來說，這種對(duì)計(jì)算能力不斷增長的需求意味著

　　嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間要求，要求提供商使用最先進(jìn)的技術(shù)更新自己的計(jì)算平臺(tái)。在實(shí)時(shí)圖像處理、視頻流和大數(shù)據(jù)分析等這些應(yīng)用中，降低時(shí)延，加快得到結(jié)果都是最終用戶看重的 QoS 要素。大公司、創(chuàng)業(yè)企業(yè)和中小型企業(yè)(SME)逐漸認(rèn)識(shí)到，先進(jìn)的計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)能帶來競爭優(yōu)勢。隨著 HPC 進(jìn)入主流，云計(jì)算通過實(shí)現(xiàn)對(duì)無限計(jì)算資源的共享彈性訪問，在 HPC 交付方面正起著關(guān)鍵作用，尤其是對(duì)已經(jīng)使用集群和網(wǎng)格計(jì)算的工程和科學(xué)應(yīng)用而言。

　　鑒于云基礎(chǔ)架構(gòu)工作負(fù)載對(duì)計(jì)算能力、靈活性和電源效率提出了更高的要求，基于 FPGA 的首創(chuàng)替代方案能提供超越行業(yè)需求的高性能解決方案。借助可重復(fù)配置硬件技術(shù)，以并行處理支撐的計(jì)算平臺(tái)有望提供快捷平衡的解決方案，尤其是在要求以極快速度處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用中。為了顯著降低時(shí)延，F(xiàn)PGA 廠商與主要的利益相關(guān)方密切協(xié)作，通過將綜合在 FPGA 邏輯中的加速器連接至現(xiàn)有處理器，正設(shè)法實(shí)現(xiàn)高性能、更高能效的數(shù)據(jù)中心。

　　數(shù)據(jù)中心中的靈活計(jì)算

　　隨著最終用戶逐漸習(xí)慣和依賴把自己的個(gè)人數(shù)據(jù)托管到云端，預(yù)計(jì)云計(jì)算將成為 IT 交付的默認(rèn)方式。與之相關(guān)的一個(gè)趨勢是把產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為服務(wù)，分解成能夠在按使用付費(fèi)業(yè)務(wù)模式中重新組合以準(zhǔn)確滿足客戶需求的單元。IaaS 就是一種把云計(jì)算硬件基礎(chǔ)設(shè)施(服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng))作為互聯(lián)網(wǎng)

　　上的按需服務(wù)交付的途徑。許多企業(yè)意識(shí)到云硬件基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)他們的業(yè)務(wù)不可或缺，但他們把它當(dāng)作不會(huì)給自己帶來任何競爭優(yōu)勢的商品對(duì)待，因?yàn)樗麄兊母偁帉?duì)手基本上使用相同的技術(shù)提供基本上相同的 QoS。

　　可重配置硬件技術(shù)能顛覆這樣的模式。該技術(shù)帶來極具競爭力的性能功耗比提升，降低總體成本，并用作可擴(kuò)展的可重配置加速平臺(tái)，能夠?qū)θ魏喂ぷ髫?fù)載進(jìn)行按需優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)明顯的差異化。配備 FPGA 器件的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器能支持可針對(duì)特定計(jì)算優(yōu)化的硬件軟件計(jì)算平臺(tái)。靈活的硬件是讓最終用戶用上與云基礎(chǔ)架構(gòu)緊密掛鉤的豐富特性的關(guān)鍵，比如設(shè)計(jì)保障的專用高性能計(jì)算。

　　有幾大因素有利于向云端的靈活計(jì)算轉(zhuǎn)型。FPGA 的并行處理功能是一個(gè)明顯優(yōu)勢。此外，通過 FPGA 在云端集成異構(gòu)硬件資源，為無需依賴持續(xù)的 CPU 性能提升就能改善計(jì)算效率提供了機(jī)遇。

　　另外，為了增加任何特定計(jì)算任務(wù)的吞吐量，往往可以在 FPGA 資源中對(duì)其實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行流水線操作。借助靈活的硬件對(duì)最終用戶應(yīng)用進(jìn)行精細(xì)流水線，可交付最佳性能的定制解決方案。

　　接著，還可以發(fā)揮 FPGA 中硬件資源的部分可重配置性，在運(yùn)行中把不同的定制協(xié)處理器換入和換出特定資源，從而以多路復(fù)用的方式動(dòng)態(tài)地按需計(jì)算所需應(yīng)用算法中計(jì)算強(qiáng)度最大的部分。這種方法基本不會(huì)影響執(zhí)行時(shí)間，同時(shí)提供了一種能權(quán)衡面積與性能的低成本解決方案。

　　采用基于云的 IaaS 的可重配置硬件不僅可以擴(kuò)大云計(jì)算的供應(yīng)，提高定制化水平，還能增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性。

　　總之，定制云計(jì)算能為一定數(shù)量領(lǐng)域的提供商和從業(yè)者帶來重大差異化。例如，采用特定計(jì)算機(jī)架構(gòu)而非標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)支持的金融計(jì)算應(yīng)用能加快經(jīng)紀(jì)人對(duì)金融趨勢的分析，這樣他們買入或賣出股票的速度就能比他們的競爭對(duì)手更快。如果負(fù)責(zé)處理所需的實(shí)時(shí)處理算法的計(jì)算機(jī)對(duì)執(zhí)行這些算法進(jìn)行了專門的優(yōu)化，醫(yī)療人員就能在開展遠(yuǎn)程外科手術(shù)的過程中提高成像質(zhì)量并縮短響應(yīng)時(shí)間。在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的大數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)游戲等其他計(jì)算領(lǐng)域中，QoS 以時(shí)延和開銷為衡量指標(biāo)，高 QoS 能產(chǎn)生顯著的競爭優(yōu)勢。

　　值得信賴的云計(jì)算

　　網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)保隱私挑戰(zhàn)是云計(jì)算得到廣泛采用的主要障礙。因?yàn)樵苹A(chǔ)架構(gòu)在不同程度上一直是一種開放和共享資源，它也成了內(nèi)外部人員惡意攻擊的對(duì)象。而且今天在共享資源上執(zhí)行特定計(jì)算或存儲(chǔ)敏感數(shù)據(jù)帶來的安全影響讓云計(jì)算難以成為關(guān)鍵應(yīng)用的選擇。在當(dāng)前的云平臺(tái)和基礎(chǔ)設(shè)施中都已經(jīng)觀察到旁路攻擊、身份綁架和惡意代碼分配。值得信賴的云計(jì)算解決方案可以避免這些問題，因此對(duì)實(shí)現(xiàn)任何人能夠隨時(shí)隨地使用的定制化云計(jì)算而言十分重要。

　　采用基于云的 IaaS 的可重配置硬件部件可以擴(kuò)大云計(jì)算的使用和定制化水平，還能增強(qiáng)相對(duì)于軟件解決方案的安全性。從設(shè)計(jì)上說，F(xiàn)PGA 器件與云端傳統(tǒng)使用的軟件解決方案相比能提供明顯面積更小、防御更周密的攻擊面?；?FPGA 的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的設(shè)計(jì)人員能夠讓安全性滿足

　　云系統(tǒng)架構(gòu)的最高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。下列因素有利于值得信賴的硬件增強(qiáng)型云計(jì)算。

　　•防范篡改的硬件安全原語和保護(hù)FPGA 提供物理不可克隆功能 (PUF) 等特定安全特性，可作為為每個(gè)電路提供唯一標(biāo)識(shí)符的關(guān)鍵存儲(chǔ)的替代機(jī)制。FPGA 也適用于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建加密密鑰所需的真隨機(jī)數(shù)生成器 (TRNG)。

　　•加密算法的硬件實(shí)現(xiàn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 和橢圓曲線密碼算法 (ECC) 就是在硬件中執(zhí)行的加密算法的例子。這些算法的加密原語(旋轉(zhuǎn)、與或運(yùn)算等)與 CPU 上的順序軟件執(zhí)行相比，更適合于部署在 FPGA 硬件中。例如 AES 就可以分解為一套順序執(zhí)行的階段或步驟，每個(gè)階段內(nèi)部分解為一個(gè)基本運(yùn)算循環(huán)。這些循環(huán)通過使用并行執(zhí)行在硬件上展開，可以以更快的速度運(yùn)行。此外，步驟可以流水線化來提高性能。這些技術(shù)優(yōu)化了硬件中的加密算法的綜合。

　　•隨時(shí)數(shù)據(jù)保密(移動(dòng)中數(shù)據(jù)、使用中數(shù)據(jù)和閑置中數(shù)據(jù))在開發(fā)安全解決方案時(shí)性能降低是一個(gè)關(guān)鍵性的問題。硬件解決方案相對(duì)于軟件解決方案更具優(yōu)勢，原因是硬件能夠在基本沒有開銷的情況下完成低時(shí)延數(shù)據(jù)加密和解密。通過這種方法，應(yīng)用通過云管理的一切信息都能夠以加密方式發(fā)送、接收和存儲(chǔ)，例如用加密文本取代明文文本，防止其受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。

　　要挖掘云的全部潛力，為今天熟悉技術(shù)的用戶提供服務(wù)，需要能夠發(fā)揮可擴(kuò)展、定制化計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)和存儲(chǔ)資源集的作用的新業(yè)務(wù)模式。

　　•硬件防火墻硬件安全模塊能過濾所有通過系統(tǒng)通信總線的數(shù)據(jù)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)抵御特定類型攻擊的耐受力。

　　•數(shù)字簽名硬件方法還支持用戶認(rèn)證和可驗(yàn)證的認(rèn)證和證書管理，從而實(shí)現(xiàn)可信根 (RoT)。

　　其他優(yōu)勢

　　行業(yè)用例說明了基于硬件的云解決方案如何支持安全、高性能和靈活性等關(guān)鍵屬性。這包括 Google Project Vault。該項(xiàng)目把在硬件中綜合的加密計(jì)算嵌入到微型 SD 設(shè)備中。微軟的 Azure SmartNIC 基于 FPGA，用于在服務(wù)器中從 CPU 卸載軟件定義的聯(lián)網(wǎng)功能。微軟的 Catapult Project 則借助 FPGA 技術(shù)加快 Bing 搜索引擎的速度。Bitfusion 的 Cloud Adaptor 項(xiàng)目讓開發(fā)人員得以在云中使用 FPGA。FPGA 技術(shù)已經(jīng)可用于證明數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中的神經(jīng)可塑性云計(jì)算概念。賽靈思 Kintex® UltraScale™ FPGA 和賽靈思 Zynq® Ultrascale+™ MPSOC 器件系列都是有效的例子。

　　其他有利于基于 FPGA 的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的因素有：

　　•可擴(kuò)展性 云計(jì)算通過發(fā)揮數(shù)據(jù)中心的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，正在帶來明顯的成本節(jié)約?；?FPGA 的云計(jì)算解決方案的擴(kuò)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)比基于 CPU 和 GPU 的解決方案容易。

　　•低功耗 在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，與原始性能相比更重要的是性能功耗比。數(shù)據(jù)中心要求高性能，但這種高性能的功耗特性應(yīng)不超越數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的要求的限值。與市場上的其他替代方案相比

　　基于 FPGA 的解決方案能提供高得多的性能功耗比。很明顯，最大化性能功耗比是提高數(shù)據(jù)中心可靠性和控制運(yùn)營成本的必備要求。

　　•環(huán)境友好性 延伸降低功耗的優(yōu)勢，基于 FPGA 的云計(jì)算正在興起，成為降低計(jì)算的碳排放的必行之道。

　　•冗余 通過使用 FPGA 技術(shù)管理異構(gòu)硬件資源，開發(fā)人員得以綜合出滿足特定冗余要求的定制解決方案。

　　IT 服務(wù)的用戶對(duì)下列要求缺一不可：移動(dòng)性、連接性、對(duì)信息的即時(shí)訪問、立即得到計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)安全。云計(jì)算為企業(yè)提供了把任務(wù)從他們的本地基礎(chǔ)架構(gòu)移到遠(yuǎn)程經(jīng)優(yōu)化的計(jì)算集群的手段。要挖掘云的全部潛力，為今天熟悉技術(shù)的用戶提供服務(wù)，需要能夠發(fā)揮可擴(kuò)展、定制化計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)和存儲(chǔ)資源集的作用的新業(yè)務(wù)模式，從而為所有的客戶創(chuàng)造價(jià)值。

　　神經(jīng)可塑性云計(jì)算在配備異構(gòu)資源的精細(xì)粒度FPGA器件之上將高性能架構(gòu)和受信任計(jì)算架構(gòu)融為一體，能改善計(jì)算的能力、靈活性和安全性。硬件神經(jīng)可塑性通過為云端已確立的連接和移動(dòng)特性添加個(gè)性化、個(gè)人定制計(jì)算功能，掀起人們開展業(yè)務(wù)方式的革命。

　　從利益相關(guān)方正在積極采取的行為來衡量，可重配置硬件技術(shù)迅速融合到云端并不遙遠(yuǎn)。運(yùn)行在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器 CPU 上的軟件代碼與直接在硬件中處理的應(yīng)用關(guān)鍵環(huán)節(jié)的結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)為最終用戶帶來顯著競爭優(yōu)勢的技術(shù)差異化。