FPGA加速卡從芯片到系統的發展歷程

在2019年MWC大會的第一天，英特爾又推出了一款針對5G應用的FPGA加速卡PAC N3000。這款加速卡可以實現高達100Gbps的網絡流量的加速處理，同時支持9GB DDR4和144MB QDR IV板上內存。

對于英特爾的FPGA加速卡產品而言，它們最大的優勢之一就是英特爾在數據中心處理器領域的核心支配地位。由于英特爾Xeon處理器占據了數據中心市場的x86處理器的絕大部分市場份額，因此無論何家的FPGA加速卡都必須針對Xeon處理器做大量的兼容性設計和優化，而英特爾FPGA在這方面有著先天的血統優勢。這也使得英特爾成為目前唯一一個能夠提供全棧式數據中心解決方案的公司。

此外，英特爾與各大服務器制造商保持著良好的合作關系，因此包括戴爾、HPE、富士通等服務器制造商會很自然的在自家的服務器產品中加入并銷售基于英特爾FPGA的加速卡。然而，這對于其他FPGA廠商而言就沒有那么水到渠成，他們往往很難說服服務器廠商或者客戶在已經內置了FPGA的服務器中，再花費額外的成本，并冒著兼容性的風險去添加其他的FPGA加速器。

賽靈思的FPGA加速卡產品起步相對較晚。在2018年10月，賽靈思才正式發布了旗下首款面向數據中心應用加速的FPGA加速卡產品，名為Alveo。首批推出的Alveo U200和U250板卡均基于賽靈思的16納米UltraScale FPGA器件，分別擁有89.2萬和134.1萬個可編程邏輯單元。在FPGA器件方面，這兩款Alveo卡與英特爾的PAC相比，可以說在伯仲之間。

這兩款板卡主要針對的都是大型數據中心應用，因此板上集成了64GB DDR4內存，以及兩個QSFP28網絡接口和一個PCIe Gen3接口。與PAC相比，這兩款板卡的板級資源要豐富的多。然而，這也導致Alveo板卡的外形尺寸和功耗都比較大。當采用主動散熱時，板卡尺寸為全高全長，標準功耗為100瓦~110瓦，功耗峰值可達225W，遠超過PAC的45W~60W。

在生態系統建設方面， Alveo加速卡將主要基于賽靈思的SDAccel軟件進行開發，SDAccel是一個集成的開發環境。

SDAccel最主要的特點之一是包含針對諸如C/C++和OpenCL等高層次語言的FPGA編譯器、軟件庫和API等基礎架構，以期幫助軟件開發者更快的對FPGA硬件進行開發。這一點，與英特爾的面向Xeon和FPGA的加速堆棧有異曲同工之妙。這也印證了當前FPGA軟件系統發展的趨勢，就是需要不斷降低FPGA開發的門檻，通過盡量多的提供高層次語言的支持，以提高FPGA的開發效率，縮短產品面世時間。

除了英特爾和賽靈思推出的原廠FPGA加速卡之外，很多第三方廠商也在近年相繼推出了基于FPGA的硬件加速卡產品。其中比較典型的有我國浪潮、華為等公司推出的加速卡，以及國外Mellanox公司推出的基于FPGA的智能網卡產品。

浪潮的F10A FPGA加速卡是目前在售的一款FPGA加速卡產品。它采用了英特爾Arria10 FPGA，最多包含115萬個片上可編程邏輯單元。加速卡上提供了兩個SFP+ 10Gbps以太網端口，PCIe Gen3x8接口，以及最高32GB板載DDR內存。在2018年10月底的賽靈思開發者大會上，浪潮和華為都發布了自己的新FPGA加速卡產品，分別叫做浪潮F37X和華為FX系列。

這兩款加速卡都采用了賽靈思的16納米UltraScale+ FPGA器件。相比賽靈思的原廠Alveo加速卡，這兩款加速卡產品的主要特點是功耗得到了進一步削減，這可能得益于FPGA芯片規格的提升。例如，浪潮的F37X加速卡的典型功耗只有75瓦左右，而華為的FX系列的中端加速卡的典型功耗最大為75瓦，高端卡為200瓦。

在其他技術規格方面，浪潮F37X加速卡使用的FPGA集成了8GB的HBM2片上高速緩存，相比DDR而言，能大幅提高存儲帶寬和訪存效率。相比Alveo，新推出的這兩類第三方加速卡都有著更高的片上邏輯單元數量，足以應對各種新興的數據中心計算與應用場景，比如機器學習、視頻編解碼、NFV、圖像與語音識別等等。

老石在之前的文章《Mellanox為何讓多家巨頭公司趨之若鶩》中介紹過，Mellanox是一家總部位于以色列的著名的網絡設備供應商，旗下產品包括網絡控制芯片、網卡、線纜、交換機、軟件等等，可以說幾乎涵蓋了數據中心網絡產品的各大門類。Mellanox的基于FPGA的智能網卡產品名為Innova-2 Flex。

這款智能網卡上包括兩個主要芯片，一個是Mellanox的ConnectX-5以太網控制器，另一個是Xilinx的Kintex UntraScale FPGA。板上包含兩個25G以太網端口，都與ConnectX-5相連，然后再通過PCIe Switch連接Host和FPGA。ConnectX-5本身就可以實現不少硬件加速功能，比如常見的虛擬交換、SRIOV、QoS與流量控制等。因此FPGA在這個卡上更像是一個“輔助”的加速單元，主要的設計目的是用來實現和加速各種CPU上不支持、或性能較低的定制化需求。