转向FPGA数据中心的未来：FPGA如何成为潜在的解决方案？

来源：All About Circuits 作者：Jake Hertz

随着数据中心承受更大的压力，电子工程师们正在寻求现场可编程门阵列（FPGA）作为潜在的解决方案。然而，它们如何有用，谁在加大他们的研究力度？

如今，数据中心比以往任何时候都更加承受着巨大的压力。在云计算的日益普及，数据创建的高速率以及机器学习等新的计算密集型应用程序之间，我们目前的数据中心基础设施正在被推向极限。为了帮助确保未来的数据中心能够跟上这些趋势并不断提高性能，工程师们正在重新构想数据中心的计算硬件。基于以上情况，FPGA成了数据中心未来发展最重要的硬件之一。

FPGA 的高级概述。（图片来源：Stemmer Imaging）

近期，英特尔和VMware共同成立了3D-FPGA学术研究中心，希望刺激FPGA技术的发展，并明确用于数据中心的改进。在本文中，我们将讨论FPGA对数据中心的好处，以及新的研究中心计划如何进一步改进该技术。

※ 转向加速器

目前，数据中心有两个主要趋势正在推动该领域的未来发展：数据流量的增加和计算密集型应用程序的增加。这里的挑战是，数据中心不仅必须能够处理更多的数据和更严格的计算，而且比以往任何时候都更需要以更低的功耗和更高的性能来做到这一点。

为了实现这一目标，工程师已经从更通用的计算硬件（如中央处理器（CPU）和图形处理单元（GPU））转向使用硬件加速器。

异构架构的一个例子，它正在成为数据中心的常态。（图片来源：康奈尔大学 Zhiru Zhang等）

与以前相比，工程师可以使用特定于应用的计算模块实现更高的性能和低功耗计算。对许多人来说，由加速器、GPU和CPU组成的异构计算架构是未来数据中心被广泛接受的前进道路。

※ FPGA在数据中心上的优势

FPGA具有独特的优势，可使数据中心受益，原因有几个。

首先，FPGA是高度可定制的，这意味着它们可以配置为用作特定于应用的硬件加速器。在数据中心的环境中，工程师可以为机器学习、网络或安全等应用配置FPGA。由于其软件定义的性质，FPGA拥有比专用集成电路（ASIC）更简单的设计流程和更短的上市时间。

显示如何动态重新配置 FPGA 的示例图。（图片来源：哈尔滨工业大学 王少军等）

其次，FPGA的多功能性的优势。由于FPGA的功能可以完全由HDL代码定义，因此单个FPGA可以满足多种用途。此功能有助于降低复杂性并在系统中创建一致性。无需各种不同的强化ASIC，只需一个FPGA即可针对各种应用进行配置和重新配置，从而为进一步优化硬件资源打开了大门。

因此，一些FPGA可以根据正在运行的应用实时重新配置，这意味着单个FPGA可以根据需要充当任意数量的角色。

※ 3D-FPGA学术研究中心

最近，英特尔与VMware共同创立的3D-FPGA学术研究中心宣布成立，这是一项旨在改善FPGA技术未来的高校合作项目。该团队由来自多伦多大学，德克萨斯大学奥斯汀分校，卡内基梅隆大学等高校的研究人员组成，将他们的工作直接集中在FPGA在数据中心中的应用上。更具体地说，该小组将研究在FPGA框架内实现3D集成的方法。他们的设想是，通过能够垂直堆叠多个FPGA芯片，研究人员应该能够实现更高的晶体管密度，同时平衡性能，功耗和制造成本。

总体而言，该团队希望使用3D集成技术来创建由FPGA和逻辑加速器组成的异构系统，并且可以全部打包在一个封装内。该技术将寻求将片上网络（NoC）组合在传统FPGA结构下方的一层中，以便NoC可以控制数据路由，而FPGA可以提供所需的计算。换言之，该团队希望通过他们的新技术将网络内计算的趋势进一步扩展到服务器应用中。

※ 面向未来数据中心的FPGA

随着数据中心向更多数据和更密集计算的方向发展，FPGA无疑将成为关键参与者。随着新的研究小组参与到这项技术的研究中去，FPGA正在成为数据中心行业的中流砥柱，这一趋势现在似乎比以往任何时候都更加明显。