高效能FPGA扮推手　雲端資料中心運算能力大增

資料中心是雲端運算變革的關鍵，它整合了全球客戶服務所需的運算能力、儲存及互聯功能。目前全球資料中心正以驚人的速度發展，並引入大量的企業投資金額。根據研究機構Synergy指出，資料中心網路基礎架構的銷售僅在2010年就增長了22%，Google和Facebook等企業亦認為雲端運算將可滿足全球眾多使用者對線上存取服務需求的要求。

正當資料中心朝向更快速、更大規模、更低成本與更環保的方向發展時，現場可編程閘陣列(FPGA)由於可為運算、儲存及網路帶來眾多優勢，重要性與日俱增。例如在網路基礎架構中，FPGA能維持高度節能的狀態因應不斷成長的流量和運算需求。此外，為因應各種全新通訊協議不斷問世，FPGA亦可藉高度靈活性配置的特性獲得設備商青睞。

FPGA可從基本面提供合適的物理介面和高速記憶體介面所需的支援與頻寬，例如FPGA擁有足夠的功能讓元件提供100G以上的封包處理管線，且靈活度也可讓客製化電路保持在最高效率中運作。

例如AutoESL等高層級合成的重大革新，主要是協助克服FPGA程式設計流程中低抽象層的最大缺點，最終可產生涵蓋基本網路功能的基礎FPGA IP系列，但針對資料中心橋接(DCB)、VXLAN、虛擬交換器及其他專門技術的特定資料中心解決方案目前還有待開發。

對伺服器而言，FPGA是網路介面卡(NIC)設計備受歡迎的選擇方案。雖然英特爾(Intel)、博通(Broadcom)及其他公司已為乙太網路和光纖通道提供多組控制器，用於開發標準適配器，但如果需要在網路和中央處理器(CPU)之間的資料路徑加入更多加密、高頻率交易和網際網路通訊協定(TCP)卸載引擎(TOE)等處理功能，FPGA是更理想的選擇。

當網路介面或處理功能須以某種方式客製化時，使用FPGA也是一個好選擇。在這些情況下，FPGA能提供高速序列收發器、記憶體介面、PCIe端點及足夠規模的架構，並配合基礎IP模組以提供高輸送量資料流處理能力。在終端用戶習慣建置高整合度平台的環境中，採用先進的IP和解決方案組合，可讓FPGA能夠滿足市場的具體需求，並提升其競爭力。

降低伺服器功耗　高效能FPGA立大功

事實上，FPGA在主機板上還有更多可能的應用。例如，在資料中心中，目前記憶體內建(In-memory)快取技術已成功建置在x86伺服器中，FPGA能大幅提升效能和降低功耗及延遲率。目前的趨勢是把運算從多個分散的內核處理變成更管線化的資料處理；這種方式對FPGA架構非常有利，晶片的數量也能滿足FPGA更多的應用可能。然而，設計人員仍須解決FPGA程式設計工具的低抽象層級問題，方能與基於x86伺服器上的C編譯器相互競爭，進而滿足如Facebook等終端使用者的需求。

從預測性觀點分析，資料中心有一類被稱為「低耗能節點」的伺服器。賽靈思已開發出多種針對這種新伺服器的關鍵技術，以及針對此一領域的新型系統單晶片(SoC)架構，如安謀國際(ARM)處理器核心、PCIe介面模組及可編程邏輯。

結合FPGA和CPU的混合運算解決方案可滿足現今雲端運算處理需求。目前Convey與Maxeler提供的解決方案已表現出這種混合方案可大幅提升效能和省電的優勢；例如，Maxeler為某家金融客戶設計的信用衍生性商品定價系統，其運作速度比透過軟體在英特爾E5430伺服器上的執行速度快三十七倍。QPI技術更有可能進一步強化這些優勢，因為透過低延遲率、高頻寬、快取同調介面，硬體加速器能與CPU之共同作業可更為緊密。

高整合度FPGA助陣　伺服器分析/儲存效率大躍進

FPGA在雲端運算的應用與伺服器、網路領域的情況相似，目前FPGA可用三種不同的方式在儲存、資料儲存及資料分析中提供極有競爭力的建置方案。首先，快閃儲存系統與主機的整合更為緊密；有一種全新的PCIe SSD控制器可讓快閃記憶體與PCIe直接連接。FPGA的觸角已涉入此一領域，並提供各種關鍵功能及基礎的IP建置架構。

再者，FPGA也有助於加速處理查詢、過濾、解壓縮和某些相關的運算作業；這種能力對未來須提供更多智慧型功能以解決流量瓶頸問題的儲存裝置而言極其重要。最後，對於所謂「超級儲存」的應用而言，FPGA也能發揮重大功用，可加速檔案系統的運作，以避免占用大量CPU週期。這些FPGA目前在儲存區域網路中與儲存伺服器共址的單獨伺服器中，如果使用FPGA進行加速作業，可降低控制與儲存的伺服器比例，進而增加儲存空間並提升效能。

總而言之，雲端伺服器將可為FPGA帶來可觀商機，而FPGA業者若想在市場競爭中取得一席之地，則勢必要持續精進FPGA效能，將可編程功能提升到資料中心程式設計人員能採用的抽象層水準，進而為客戶提供更具競爭力的產品。

(本文作者皆任職於賽靈思)