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

引言

數(shù)據(jù)中心運維人員總是不斷在尋求更高的服務器性能。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)中心應用開發(fā)(如密鑰加速、圖像識別、語音轉(zhuǎn)錄、加密和文本搜索等)的設(shè)計人員既希望GPU 易于編程，同時又希望硬件具有低功耗、高吞吐量和最低時延功能。然而，多核CPU和GPU 加速器在可擴展性上存在嚴重的問題：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)中心服務器的應用加速器。這種開發(fā)板經(jīng)配置可運行高功率圖形卡，但客戶同時希望功耗不超過25W，以便最大化可擴展性并最小化總功耗。

最近賽靈思同瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETH Zurich)聯(lián)合開展的一系列研究發(fā)現(xiàn)，基于FPGA 的應用加速想比CPU/GPU實現(xiàn)方案，單位功耗性能可提升25 倍，而時延則縮短了50 到75 倍，與此同時還能實現(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用加速所需的核心功能，并同時提供每個開發(fā)板目標功耗低于25W 的的解決方案。

中國網(wǎng)絡服務領(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器中。

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

FPGA 大幅提升了硬件加速的單位功耗性能。

FPGA 用于應用加速的最大問題在于編程。數(shù)據(jù)中心應用開發(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

• 易于升級的設(shè)計

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)計環(huán)境(IDE)，可提供類似于CPU/GPU 的工作環(huán)境;以及針對不同數(shù)據(jù)中心應用而優(yōu)化的動態(tài)可重配置加速器，能在類似CPU/GPU 運行時間環(huán)境中即時更換。運行過程中應用能讓不同處理模塊在FPGA 中即時替換，且不會干擾服務器CPU 和FPGA 之間的連接，實現(xiàn)不間斷的應用加速。

SDAccel 環(huán)境包括架構(gòu)優(yōu)化的編譯器、庫、調(diào)試器和分析器，并提供類似于CPUGPU的編程體驗。

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)和運行時間體驗。SDAccel 開發(fā)環(huán)境面向基于X86 服務器處理器的主機系統(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、低時延以及定制數(shù)據(jù)路徑應用。SDAccel 編譯器主要針對高性能賽靈思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10 倍，而功耗僅為GPU 的1/10，同時能保持代碼的兼容性和一個傳統(tǒng)的軟件編程模式，以便于應用移植并節(jié)約成本。根據(jù)客戶基準，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 編譯器自動生成的設(shè)計甚至比手動編碼的RTL 設(shè)計方案的性能還高，在某些情況下可高出20% 之多。

架構(gòu)優(yōu)化的SDAccel 編譯器可以自動對應用源代碼實施一系列基礎(chǔ)甚至高級的優(yōu)化方案。下表列出了SDAccel 編譯器針對加速應用所進行的一系列優(yōu)化。

SDAccel 編譯器針對加速應用所進行的一系列優(yōu)化。

其中一些自動優(yōu)化能大幅提升整體應用的效率。舉例來說，SDAccel 編譯器的數(shù)據(jù)流流水線功能可對多個功能進行流水線化，而不會局限于僅能對單一功能進行優(yōu)化。該編譯器的存儲器優(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 平臺的完全軟件的開發(fā)環(huán)境，可實現(xiàn)類似于CPU/GPU 的開發(fā)體驗。開發(fā)人員能用熟悉的工作流程優(yōu)化應用，而且即便很少或者沒有FPGA 使用經(jīng)驗，也能獲益于FPGA 的平臺優(yōu)勢。集成設(shè)計環(huán)境(IDE)不僅可提供編碼模板和軟件庫，而且還支持在x86 平臺上進行編譯、調(diào)試、特性分析和FPGA 仿真。準備好部署后，IDE 能在配有自動儀器插入功能的數(shù)據(jù)中心用現(xiàn)成的商用 FPGA 平臺上實現(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用移植到FPGA 上，同時還可在熟悉的工作流程中維護和復用OpenCL、C 和C++ 代碼。大量代碼和庫采用C 和C++ 格式。對于希望采用其現(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。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現(xiàn)方案。針對特定領(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。

SDAccel ：面向程序員的開發(fā)平臺

應用開發(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)人員就能對代碼進行特性分析，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性的片段，無縫采用快速自動生成的周期精確內(nèi)核仿真，從而實現(xiàn)加速。這些快速仿真可用來調(diào)試和優(yōu)化加速量，同時能在架構(gòu)層面工作。業(yè)經(jīng)驗證的應用能方便地移植到主機/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。

SDAccel 庫對SDAccel 類似CPU/GPU 的開發(fā)體驗發(fā)揮了重要作用。這些庫包含底層數(shù)學庫以及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。在項目早期階段，所有開發(fā)工作都在CPU 主機上進行。由于SDAccel 庫用C++ 語言編寫，因此能與CPU 目標的應用代碼一起編譯，創(chuàng)建虛擬設(shè)計原型，讓所有測試、調(diào)試和初始特性分析工作在主機上進行。在此階段無需FPGA。

一旦應用經(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現(xiàn)協(xié)同仿真，加速功能運行在基于CPU 的RTL仿真器上。這時，軟件開發(fā)團隊可觀察所得的性能，確定應用能否滿足性能目標要求。RTL 仿真能準確給出FPGA 硬件加速的性能情況，這就能讓開發(fā)團隊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，而是在編譯時針對特定的賽靈思FPGA，包括器件速度等級，這樣所得的加速功能就能針對FPGA 上的可用資源以及器件時序進行優(yōu)化。在這時我們甚至還能測試功能，這對性能不會造成影響，硬件開銷極低，而且還能在同樣熟悉的SDAccel 開發(fā)環(huán)境中進行更多后期特性分析，以便充分利用FPGA 硬件，全面最大化應用加速效果。

CPU 級特性分析能發(fā)現(xiàn)應用瓶頸。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 上對硬件加速功能進行特性分析能實現(xiàn)更多優(yōu)化，進一步優(yōu)化應用代碼和加速功能。在任何時間以及各個階段中，SDAccel 編譯器都可選擇性地檢測應用代碼，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行，而且無論開發(fā)工作進入到哪個階段，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 的運行時間和升級體驗

SDAccel 可提供支持實時類似CPU/GPU 運行時間升級的唯一FPGA 動態(tài)可重配置加速器。SDAccel 對于FPGA 解決方案的獨特之處在于其利用唯一的FPGA 動態(tài)重配置功能可在內(nèi)核升級時保持系統(tǒng)繼續(xù)運行，這不僅可加載新的硬件加速器內(nèi)核(這一點與CPU/GPU 加速器的功能類似)，同時還能保持關(guān)鍵的系統(tǒng)接口和功能(如存儲器、以太網(wǎng)、PCIe 和性能監(jiān)控器)繼續(xù)發(fā)揮作用。這種即時的系統(tǒng)重配置功能理想適用于數(shù)據(jù)中心計算需求及負載的立即更新。這種應用的一個實例就是圖像搜索、視頻轉(zhuǎn)碼和圖像處理等功能的即時切換，從而帶來戰(zhàn)略性優(yōu)勢。

可重配置加速器支持快速硬件加速變化，能最大化加速器投資回報

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)能快速順利地實現(xiàn)升級。

開發(fā)者可以管理和運行基于SDAccel 的系統(tǒng)就像在CPU/GPU 系統(tǒng)一樣。利用SDAccel 和硬件快速動態(tài)重配置功能，我們甚至能在應用運行中重用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，硬件可針對不同的算法進行重新優(yōu)化，且不會限制或中斷應用流程。通過支持動態(tài)重配置，SDAccel 能讓數(shù)據(jù)中心運維人員最大限度地發(fā)揮硬件加速投資價值。

實實在在的標準測試可證明SDAccel 的性能和價值

SDAccel 經(jīng)過了具有實際標準測試的業(yè)界驗證。舉例來說，在壓縮標準測試中，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優(yōu)化的RTL 實現(xiàn)方案旗鼓相當甚至更優(yōu)秀。

用兩個加速器測試標準比較手動編碼的RTL、SDAccel 以及市場上類似方案生成的結(jié)果

在上述的加密標準測試中，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 自動生成的加速器比用RTL 手動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)與手動編碼結(jié)果質(zhì)量旗鼓相當，甚至更勝一籌。

結(jié)論

SDAccel 可滿足數(shù)據(jù)中心應用開發(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現(xiàn)最佳單位功耗性能，遠勝于運行在CPU/GPU 上的加速器。SDAccel 通過帶有系統(tǒng)內(nèi)即時可重配置功能的單個控制中心環(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。因此，SDAccel 是一種獨特而完整的FPGA解決方案，其易用性和功能遠超同類競爭性工具。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 自動生成的硬件加速器相提并論。

SDAccel 為硬件加速提供獨特而完整的FPGA 解決方案