5G網(wǎng)絡(luò)用FPGA加速卡的功能及設(shè)計(jì)

       Function and design consideration of acceleration card based on FPGA for 5G’s network
　　迎九/《電子產(chǎn)品世界》編輯

　　摘要：FPGA可編程加速卡用于“接入和邊緣網(wǎng)絡(luò)”與“核心網(wǎng)絡(luò)”之間的數(shù)據(jù)處理。在即將到來(lái)的5G時(shí)代，不僅可處理海量數(shù)據(jù)任務(wù)，而且成本增加很少。英特爾公司的FPGA可編程加速卡N3000就是這樣一款產(chǎn)品，本文介紹了其性能定位及設(shè)計(jì)考量。
　　關(guān)鍵詞：5G；FPGA；可編程；加速卡

　　FPGA可編程加速卡（PAC）的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)合是減輕CPU的負(fù)擔(dān)，把一些原來(lái)要在CPU上運(yùn)行的工作量轉(zhuǎn)移到FPGA的加速卡上，可用于從邊緣/智能設(shè)備到云的產(chǎn)品中（如圖1）。
　　1 服務(wù)5G的N3000加速卡

       5G即將登場(chǎng)，在“接入和邊緣網(wǎng)絡(luò)”與“核心網(wǎng)絡(luò)”之間面臨海量數(shù)據(jù)任務(wù)，同時(shí)服務(wù)提供商又希望從4G過渡到5G時(shí)不增加更多的成本（圖2），此時(shí)，F(xiàn)PGA可編程加速卡再次顯威力——英特爾推出了英特爾可編程加速卡N3000（即：英特爾），采用了英特爾? Arria? 10 FPGA，專為服務(wù)提供商而設(shè)計(jì)。在中國(guó)的目標(biāo)客戶是一級(jí)和二級(jí)的電信服務(wù)商，還有很多設(shè)備制造商。

　　該加速卡可以把一些原來(lái)要在CPU上運(yùn)行的工作量轉(zhuǎn)移到FPGA加速卡上。這既針對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)，也針對(duì)無(wú)線接入網(wǎng)。優(yōu)勢(shì)首先是這款產(chǎn)品是專門為5G定制的。它能夠支持高吞吐量、低延遲和高帶寬的應(yīng)用。與此同時(shí)，因?yàn)?G的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還在不斷地發(fā)展過程中，所以它提供的是一個(gè)可定制的平臺(tái)。
　　因?yàn)樵撈脚_(tái)是支持端到端的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和一個(gè)開源的工具，所以可使用戶很快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。一方面可以滿足5G的要求；另一方面也可以滿足網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的要求。
　　眾所周知，從2017年下半年開始，英特爾宣布了多個(gè)FPGA的平臺(tái)和解決方案，既有針對(duì)邊緣網(wǎng)絡(luò)的，同時(shí)也有針對(duì)數(shù)據(jù)中心的。此次宣布的這款產(chǎn)品處在“接入和邊緣網(wǎng)絡(luò)”與“核心網(wǎng)絡(luò)”之間。至此，英特爾已把整個(gè)產(chǎn)品系列完成，這樣，既可結(jié)合英特爾的硬件的能力，同時(shí)又結(jié)合了軟件的能力和CPU的能力，可以使更多的工作負(fù)荷通過從CPU上卸下來(lái)放到FPGA上面，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以處理更多的工作量。

　　另外，在MWC期間，軟件合作伙伴還展示了采用該加速卡開發(fā)的一款面向 5G核心網(wǎng)絡(luò) (CN)/演進(jìn)分組核心的新型解決方案——率先實(shí)現(xiàn)真正的200 Gbps/服務(wù)器。據(jù)悉，這是英特爾第一款針對(duì)網(wǎng)絡(luò)用途的FPGA可編程加速卡。
　　2 熱門問答

       英特爾可編程解決方案事業(yè)部（PSG）產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Sabrina Gomez女士接受了《電子產(chǎn)品世界》等媒體采訪。
　　的設(shè)計(jì)難點(diǎn)此次提出的接入核心網(wǎng)絡(luò)的加速卡，相比英特爾的云端加速卡，在性能和要求上有哪些顯著的不同？實(shí)際上，這還是取決于工作負(fù)載。針對(duì)云或數(shù)據(jù)中心的一般是客戶群體比較廣泛，主要分成以下幾個(gè)細(xì)分的領(lǐng)域：對(duì)于基因測(cè)序和對(duì)金融的應(yīng)用，還有對(duì)安全的應(yīng)用。
　　針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的解決方案可能要滿足的需求相對(duì)是比較確定的，不像數(shù)據(jù)中心這么廣泛，不過難點(diǎn)是5G的技術(shù)還在演變過程中，所以需要高度的定制化和充分的靈活性。
　　合作伙伴的可定制性主要是定制哪些？實(shí)際上，舉個(gè)例子，在英特爾和Affirmed Networks的合作中，后者是把英特爾參考的編碼和自己的軟件整合起來(lái)，而形成FPGA的加速。它能夠提供比較大的靈活性，就是它可以修改編碼，也可以加上它自己需要分流的工作的負(fù)荷，或者它也可以把一些工作負(fù)荷整合起來(lái)，因?yàn)橛⑻貭栍凶銐蚨嗟倪壿嬁梢怨┧褂谩Ａ硗?，隨著5G技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)還在變化，客戶無(wú)需在其服務(wù)器上安裝一個(gè)新的設(shè)備，只需要在FPGA上進(jìn)行更換就可以了。
　　開發(fā)這個(gè)加速卡花了多長(zhǎng)時(shí)間？從時(shí)間上來(lái)看，硬件可能是比較簡(jiǎn)單的，這個(gè)時(shí)間比較快。但是做FPGA參考代碼的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。還有一個(gè)時(shí)間比較長(zhǎng)的是對(duì)質(zhì)量的控制和驗(yàn)證，這主要是為了配合生態(tài)系統(tǒng)中的合作伙伴。還有一塊時(shí)間比較長(zhǎng)的是做整合的部分，包括它的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件，像DPDK、OPAE，或者是像數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件或者開放的可編程加速引擎，還有編排支持等。
　　2.1 加速卡的特點(diǎn)把CPU的工作分流了，分流的是什么工作？
　　實(shí)際上，可以轉(zhuǎn)移或分流的工作負(fù)載在vRAN的應(yīng)用里，包括4G的Turbo，即它的錯(cuò)誤的糾正，還有5G的LDPC，此外還有前傳，包括加速。然后就是針對(duì)核心或者是NFV的應(yīng)用，包括NFVI、VNF，還有針對(duì)安全的防火墻等等的，以及包括5G下一代的核心網(wǎng)絡(luò)等。
　　關(guān)于合作伙伴，基于可編程加速卡的生態(tài)建設(shè)和合作伙伴方面的具體情況如何？這個(gè)問題包括N3000及之前的可編程加速卡。實(shí)際上，關(guān)于英特爾和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的開發(fā)商的合作，在數(shù)據(jù)中心層面約有20多個(gè)合作伙伴，滿足的是范圍較廣的客戶群的需求，包括數(shù)據(jù)分析、基因測(cè)序、金融和安全方面等。另外，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)部分，這次是首次和Affirmed Networks軟件供應(yīng)商合作。未來(lái)隨著N3000的推出，英特爾還會(huì)披露更多的合作伙伴的關(guān)系。針對(duì)邊緣，有硬件的服務(wù)器的合作伙伴。另外，針對(duì)這個(gè)平臺(tái)，是和英特爾的OpenVINO的框架來(lái)合作的，它是一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的框架。下面大概有十多個(gè)合作伙伴。
　　現(xiàn) 在 N 3 0 0 0 這 個(gè) 領(lǐng) 域 ， 業(yè) 界 是 否 都 認(rèn) 同的方式？英特爾當(dāng)然希望這種的模式能夠被行業(yè)廣泛使用。當(dāng)然，市面上可能還會(huì)有其他的解決方案。從FPGA可編程加速卡來(lái)看，最顯著的優(yōu)勢(shì)是可以同時(shí)分流多重的工作負(fù)荷。與此同時(shí)，它在不改變硬件的情況下可以改變工作負(fù)荷。即：這款產(chǎn)品和其他解決方案最大的區(qū)別是硬件加速器。因?yàn)槠渌慕鉀Q方案，它的處理或者工作負(fù)荷還是要在CPU上實(shí)現(xiàn)的。而本加速卡通過增加了100萬(wàn)個(gè)邏輯單元，可以智能地分流，把很多原來(lái)需要在CPU上處理的工作負(fù)荷轉(zhuǎn)移到FPGA上。這樣使得CPU能夠獲得更多的帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)其他的功能。
　　相比其他FPGA公司的加速卡的優(yōu)勢(shì)是什么？實(shí)際上，最大的一個(gè)區(qū)別就是英特爾有比較完整的產(chǎn)品線。從邊緣一直到云都有。其他的友商只是針對(duì)數(shù)據(jù)中心有加速卡。另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是英特爾是有比較完整的硬件+平臺(tái)+行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件的完整解決方案，這樣可以使用戶的產(chǎn)品能快速推向市場(chǎng)。
　　那么，與數(shù)據(jù)中心的加速卡相比，N3000的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是什么？實(shí)際上，N3000最大的好處是可以使得生態(tài)系統(tǒng)中的合作伙伴（注：包括服務(wù)器的制造商等）無(wú)需了解FPGA到底是怎么回事，因?yàn)樗旧硎且粋€(gè)可編程的產(chǎn)品，而且它提供的是一個(gè)平臺(tái)——里面既有軟件，又有硬件，因此客戶拿來(lái)就可以用。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第24頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處