8月8日，英特爾在美國總部召開了名為“以數據為中心（Data-Centric）”的創新峰會。在會上，以英特爾執行副總裁、數據中心集團總經理Navin Shenoy為首的各產品線主要負責人介紹了英特爾在大數據時代的發展愿景和布局，對“以數據為中心的計算（Data-Centric Computing）”的潛在市場進行了分析，并且公布了若干英特爾相關軟硬件產品的發展路線圖。
本次峰會披露了很多關于FPGA的重大動態，其中包括正式宣布了基于英特爾FPGA的智能網卡產品線，以及其第一款代號為“Cascade Glacier（冰川瀑布）”的量產版智能網卡。作為這款產品的FPGA研發團隊的主要成員之一，筆者從立項之初就參與了它的各項研發工作，并負責了多個軟硬件模塊和系統的設計與驗證任務。因此對于這款產品的正式對外發布，我倍感欣喜，并希望通過本文進一步梳理和分析峰會的技術細節，以及從以下幾個方面探討FPGA在大數據時代的各種機遇和挑戰：
1.英特爾“泛數據中心”業務及其潛在市場
2.基于FPGA的智能網卡產品線的正式發布
3.英特爾人工智能計算加速器產品系列的相關布局
4.FPGA開發的痛點與潛在方案
英特爾“泛數據中心”業務
近年來，英特爾一直積極的尋求業務轉型，即從一家以個人計算機和CPU為主的企業，轉向以數據為中心并圍繞其發展全棧式解決方案的公司。為了實現這一目標，這幾年英特爾先后收購了FPGA大廠Altera（167.5億美金），自動駕駛大廠Mobileye（153億美金），人工智能芯片初創公司Nervana、機器視覺公司Movidus等眾多公司擴展其產品線，并同時招攬了兩位芯片設計大神Jim Keller和 Raja Koduri分別擔任半導體工程總負責人和芯片總架構師，負責統領英特爾各類芯片（特別是高端數據中心芯片）的整體架構和路線圖規劃。另外，英特爾旗下的風投部門僅在2017年就投資了包括地平線在內的十余家AI初創企業，各領域總投資額超過五億美元。
推動這場變革的主要力量，就是目前方興未艾的大數據浪潮。目前，全世界現有的超過90%的數據都是在過去的兩年內產生的。隨著人工智能、自動駕駛、5G、云計算等各種技術的不斷發展，各類數據將會基于源源不斷的產生，預計到2025年時，數據總量將比現在增長10倍。由于上述技術的發展都基于對大數據的研究和分析，因此有人形象的將數據比作未來人工智能時代的石油。
隨著數據量的增長和技術的發展，對數據進行處理的能力也有了長足的進步。特別是隨著摩爾定律的延續，從2012年至2017年，處理數據所需的計算和存儲成本分別下降了56%和77%；同時，處理數據的性能相較2006年則提升了41倍，如圖1所示。然而即便如此，現如今只有不到1%的數據被有效的進行了處理、分析和利用。由此可見，如何高效的以數據為中心進行現有系統的優化設計、升級和創新，擁有著巨大的市場潛力和前景。
圖1：摩爾定律的延續帶來的數據處理性能的增長
在本次峰會上，英特爾對其2022年的大數據相關的潛在市場規模（Total Addressable Market – TAM）做了自己的預測，如下圖所示：
圖2：2022年英特爾大數據相關的潛在市場規模
英特爾的各類以數據為中心的業務部門主要包括四個子業務群：第一，傳統的數據中心業務，包括Xeon處理器、網絡、連接等；第二，非易失性存儲業務；第三，物聯網和自動駕駛業務，包括各類人工智能相關的業務部門；第四，FPGA業務。我在本文中將將其統一稱作“泛數據中心”集團。至2022年，泛數據中心集團的潛在市場規模將超過2000億美元，并由此成為英特爾歷史上最大的市場機遇。其中，各個子業務群的市場規模分別為，傳統數據中心業務超過900億美元、非易失性存儲業務750億美元，物聯網和自動駕駛業務330億美元，FPGA相關的業務也超過80億美元。
為此，英特爾提出了“全棧式”的數據中心系統解決方案路線圖，并由此打造以數據為中心的基礎架構，如下圖所示。
圖3：英特爾全棧式數據中心解決方案
可以看到，這個路線圖主要由“三駕馬車”進行驅動，分別是傳輸、存儲和計算。值得注意的是，圖中在傳輸和計算的部分都明確標出了FPGA的存在。下文將進一步分析FPGA在這兩個領域中所面臨的主要機遇和挑戰。
使用FPGA智能網
卡加速數據中心網絡
（1）數據中心網絡市場高速增長
在2022年，FPGA的數據中心相關業務的潛在市場規模將達到80億美元，較現在增長將超過30億美元。就英特爾FPGA業務部（原Altera）而言，其數據中心相關業務的年同比增長率在今年一季度達到了140%，與高端FPGA器件相關的增幅達50%，而整體業務也有超過兩位數的增長，見下圖所示。
圖4：英特爾可編程業務部年增長率
FPGA的一個最主要的應用領域就是對各類網絡數據進行并行化處理。這里的網絡，既包括傳統的有線通信網絡，也包括正在興起的5G無線網絡，以及在數據中心里的各類網絡連接。
（2）FPGA智能網卡產品線發布
前文中提到，作為本次峰會的一大亮點，英特爾發布了全新的基于FPGA的智能網卡產品線，以及其中的首款量產級產品，代號為“Cascade Glacier（冰川瀑布）”。由此進一步擴充了英特爾的以太網硬件產品線，形成了傳統網卡（ASIC）+智能網卡（FPGA）+網絡功能加速卡（FPGA）的完整產品組合，如下圖所示。
圖5：英特爾數據中心以太網硬件產品線
這類智能網卡的產生背景是為了應對數據中心網絡流量的爆炸性增長。從下圖可以看到，全球數據中心的網絡流量將從2016年的6.8Z字節(1ZB等于10的12次方GB)暴增至2021年的20.6Z字節，年復合增長率約為25%。同時值得注意的是，這其中大部分的網絡流量都是在數據中心內部的，因此如何優化處理這類網絡流量就成了亟需解決的課題。另外，在目前的通信及云服務提供商的數據中心里，部分CPU核心被用來實現必須的存儲和網絡功能，如針對虛擬化交換的OVS（Open Virtual Switch），以及針對I/O虛擬化的Virtio等等，這樣使得寶貴的CPU資源被非用戶任務占用，造成可用CPU資源的壓縮和緊張。為解決這些問題，Cascade Glacier智能網卡由此產生。
圖6：全球數據中心網絡流量增長率
如圖7所示，Cascade Glacier基于英特爾Arria10系列FPGA，能為云數據中心的網絡流量提供2x25GbE的數據處理加速。
圖7a：FPGA智能網卡Cascade Glacier
與傳統網卡以及現有的其他智能網卡相比，它提供了業界唯一的對Virtio協議的硬件支持和加速，使得云數據中心里的虛擬機可以進行無縫的動態遷移，而不需要安裝額外的驅動，極大的擴展了數據中心的部署靈活性。另外，它將原本在CPU上實現的OVS功能完全卸載到FPGA上實現，釋放了寶貴的CPU資源。另外，它還提供了FPGA靈活的可編程以及低功耗的特點，方便在數據中心中大規模部署，以及對常用網絡功能進行定制化加速。作為英特爾獨立開發的量產級智能網卡產品，Cascade Glacier會與英特爾”泛數據中心“架構中的其他組成部分，如Xeon CPU、存儲器、AI協處理器和加速器等，進行軟硬件深度整合，從而提供完整的端到端的系統解決方案。目前，Cascade Glacier已經進入了最后的批量裝配階段，并預計將于2019年一季度正式出貨。
圖7b：使用智能網卡進行CPU功能卸載
Cascade Glacier可以算是英特爾針對云數據中心而設計開發的第一代基于FPGA的智能網卡量產產品，很好的解決了行業痛點，因此已經吸引了很多大型云服務提供商的關注。相信在不久的將來，會有更多關于這款產品的詳細信息和部署情況被正式公布，屆時我會更深入的介紹關于Cascade Glacier的更多性能特點。