FPGA（Field Programmable Gate Array）現(xiàn)場可編程門陣列，作為ASIC領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)已有30年的歷史了，它既解決了定制電路的無法改變功能的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點，可應(yīng)用的場景也很廣泛。

就在2017年1月20日，騰訊云推出國內(nèi)首款高性能異構(gòu)計算基礎(chǔ)設(shè)施——FPGA云服務(wù)，利用云服務(wù)的方式將只有大型公司才能長期支付使用的FPGA服務(wù)推廣到了更多企業(yè)。企業(yè)可以通過FPGA云服務(wù)器進(jìn)行FPGA硬件編程，可將性能提升至通用CPU服務(wù)器的30倍以上。同時，與已經(jīng)深入人心的高性能計算的代表GPU相比，F(xiàn)PGA具有硬件可編程、低功耗、低延時的特性，代表了高性能計算的未來發(fā)展趨勢。

而在人工智能（AI）里面火熱的深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，企業(yè)同樣可以將FPGA用于深度學(xué)習(xí)的檢測階段，與主要用于訓(xùn)練階段的GPU互為補(bǔ)充，F(xiàn)PGA還可應(yīng)用于金融分析、圖像視頻處理、基因組學(xué)等需要高性能計算的領(lǐng)域，是這類對效率要求高的行業(yè)應(yīng)用的最佳選擇。

基于此，InfoQ采訪了由騰訊云基礎(chǔ)產(chǎn)品中心、騰訊架構(gòu)平臺部組成的騰訊云FPGA聯(lián)合團(tuán)隊，向讀者介紹FPGA的基本原理和設(shè)計初衷，應(yīng)用場景以及它給行業(yè)帶來的價值。

騰訊云FPGA的開發(fā)歷史及背后的團(tuán)隊力量

隨著芯片制程逼近理論極限，可以預(yù)見通用處理器（CPU）性能提升空間越來越有限。而騰訊自己的業(yè)務(wù)隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速增長，數(shù)據(jù)體量的急劇膨脹，伴隨著對這些數(shù)據(jù)的計算需求也在迅猛上漲。騰訊在2013年開始考慮如何解決計算需求的增長，而FPGA作為一種可編程的加速硬件彼時進(jìn)入了大家的視野。有了解決計算需求的想法后，需要通過實踐驗證FPGA實際的能力。

騰訊的QQ、微信業(yè)務(wù)，用戶每天產(chǎn)生的圖片數(shù)量都是數(shù)億級別，常用的圖片格式有JPEG格式、WebP格式等，WebP圖片格式比JPEG圖片格式存儲空間小30%。為節(jié)省存儲空間，降低傳輸流量，提升用戶的圖片下載體驗，通常采用WebP格式進(jìn)行存儲及傳輸分發(fā)，而圖片轉(zhuǎn)碼所帶來的計算消耗需要上萬臺CPU機(jī)器支撐。自然FPGA開發(fā)落地的第一個切入點就是圖片轉(zhuǎn)碼：將JPEG圖片格式轉(zhuǎn)成WebP圖片格式。

在圖片轉(zhuǎn)碼的實踐中，F(xiàn)PGA聯(lián)合團(tuán)隊取得了FPGA處理延時相比CPU降低20倍，F(xiàn)PGA處理性能是CPU機(jī)器的6倍，驗證了FPGA能進(jìn)行計算加速的能力，同時也增強(qiáng)了FPGA聯(lián)合團(tuán)隊的自信心。

（圖1）圖片轉(zhuǎn)碼中FPGA和CPU延時對比

（圖2）圖片轉(zhuǎn)碼中FPGA和CPU吞吐率對比

圖片轉(zhuǎn)碼項目完成后，深度學(xué)習(xí)映入了FPGA聯(lián)合團(tuán)隊的眼簾，一方面深度學(xué)習(xí)需要密集的計算，另一方面深度學(xué)習(xí)在未來應(yīng)用上有著巨大的商業(yè)價值。深度學(xué)習(xí)基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，用在圖片分類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是其中的一個分支：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）。團(tuán)隊使用FPGA對CNN計算進(jìn)行加速，增強(qiáng)違規(guī)圖片檢測能力，最終在深度學(xué)習(xí)的實踐中取得了FPGA處理性能是CPU機(jī)器4倍的戰(zhàn)績。

騰訊云FPGA項目實踐的結(jié)果，見證了FPGA在數(shù)據(jù)中心里可以提供強(qiáng)大的計算能力和足夠的靈活性，來應(yīng)對數(shù)據(jù)中心對硬件加速的挑戰(zhàn)。經(jīng)過之前的FPGA實踐，F(xiàn)PGA聯(lián)合團(tuán)隊獲得了在數(shù)據(jù)中心使用FPGA的經(jīng)驗，未來也將在數(shù)據(jù)中心的計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲三個方向進(jìn)一步探索，重構(gòu)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)。

云端的數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)日新月異，更需要一種高性能、高靈活的底層硬件結(jié)構(gòu)，所以FPGA聯(lián)合團(tuán)隊通過云端開放FPGA計算服務(wù)，從硬件層面加速云計算在各個場景中的應(yīng)用，降低企業(yè)的使用門檻和成本。

FPGA的特點解析

2016年3月，英特爾宣布正式停用“Tick-Tock”處理器研發(fā)模式，未來研發(fā)周期將從兩年向三年轉(zhuǎn)變。至此，摩爾定律對英特爾幾近失效。一方面處理器性能再無法按照摩爾定律進(jìn)行增長，另一方面數(shù)據(jù)增長對計算性能要求超過了按“摩爾定律”增長的速度。

CPU本身無法滿足高性能計算應(yīng)用軟件的性能需求，導(dǎo)致需求和性能之間出現(xiàn)了缺口。在新的芯片材料等基礎(chǔ)技術(shù)沒有取得突破前，一種有效的解決方法就是采用專用協(xié)處理器的異構(gòu)計算方式來提升處理性能?，F(xiàn)有的協(xié)處理器主要有FPGA，GPU和ASIC，F(xiàn)PGA由于其獨特的架構(gòu)擁有其他處理器無法比擬的優(yōu)勢。

FPGA（Field Programmable Gate Array）現(xiàn)場可編程門陣列，可以通過軟件重新配置芯片內(nèi)部的資源形成不同功能硬件，就像用樂高積木可以搭出航空母艦或變形金剛一樣。因此，F(xiàn)PGA不僅有了軟件的可編程性和靈活性，同時又有ASIC高吞吐和低延時的特性。而且，由于有豐富的IO，F(xiàn)PGA還非常適合用作協(xié)議和接口轉(zhuǎn)換的芯片。