揭秘FPGA：為什么比 GPU 的延遲低這么多？

　　微軟部署 FPGA 并不是一帆風(fēng)順的。對(duì)于把 FPGA 部署在哪里這個(gè)問(wèn)題，大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：

　　專(zhuān)用的 FPGA 集群，里面插滿(mǎn)了 FPGA

　　每臺(tái)機(jī)器一塊 FPGA，采用專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)連接

　　每臺(tái)機(jī)器一塊 FPGA，放在網(wǎng)卡和交換機(jī)之間，共享服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)

　　▲微軟 FPGA 部署方式的三個(gè)階段

　　第一個(gè)階段是專(zhuān)用集群，里面插滿(mǎn)了 FPGA 加速卡，就像是一個(gè) FPGA 組成的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

　　下圖是最早的 BFB 實(shí)驗(yàn)板，一塊 PCIe 卡上放了 6 塊 FPGA，每臺(tái) 1U 服務(wù)器上又插了 4 塊 PCIe 卡。

　　▲最早的 BFB 實(shí)驗(yàn)板，上面放了 6 塊 FPGA。

　　可以注意到該公司的名字。在半導(dǎo)體行業(yè)，只要批量足夠大，芯片的價(jià)格都將趨向于沙子的價(jià)格。據(jù)傳聞，正是由于該公司不肯給「沙子的價(jià)格」 ，才選擇了另一家公司。

　　當(dāng)然現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域用兩家公司 FPGA 的都有。只要規(guī)模足夠大，對(duì) FPGA 價(jià)格過(guò)高的擔(dān)心將是不必要的。

　　▲最早的 BFB 實(shí)驗(yàn)板，1U 服務(wù)器上插了 4 塊 FPGA 卡。

　　像超級(jí)計(jì)算機(jī)一樣的部署方式，意味著有專(zhuān)門(mén)的一個(gè)機(jī)柜全是上圖這種裝了 24 塊 FPGA 的服務(wù)器(下圖左)。

　　這種方式有幾個(gè)問(wèn)題：

　　不同機(jī)器的 FPGA 之間無(wú)法通信，F(xiàn)PGA 所能處理問(wèn)題的規(guī)模受限于單臺(tái)服務(wù)器上 FPGA 的數(shù)量;

　　數(shù)據(jù)中心里的其他機(jī)器要把任務(wù)集中發(fā)到這個(gè)機(jī)柜，構(gòu)成了 in-cast，網(wǎng)絡(luò)延遲很難做到穩(wěn)定。

　　FPGA 專(zhuān)用機(jī)柜構(gòu)成了單點(diǎn)故障，只要它一壞，誰(shuí)都別想加速了;

　　裝 FPGA 的服務(wù)器是定制的，冷卻、運(yùn)維都增加了麻煩。

　　▲部署 FPGA 的三種方式，從中心化到分布式。

　　一種不那么激進(jìn)的方式是，在每個(gè)機(jī)柜一面部署一臺(tái)裝滿(mǎn) FPGA 的服務(wù)器(上圖中)。這避免了上述問(wèn)題 (2)(3)，但 (1)(4) 仍然沒(méi)有解決。

　　第二個(gè)階段，為了保證數(shù)據(jù)中心中服務(wù)器的同構(gòu)性(這也是不用 ASIC 的一個(gè)重要原因)，在每臺(tái)服務(wù)器上插一塊 FPGA(上圖右)，F(xiàn)PGA 之間通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)連接。這也是微軟在 ISCA'14 上所發(fā)表論文采用的部署方式。