基于 FPGA 的基礎(chǔ)架構(gòu)準(zhǔn)備將神經(jīng)可塑性運(yùn)用到 IaaS（基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)），實(shí)現(xiàn)高性能、定制化、設(shè)計(jì)安全的云計(jì)算服務(wù)。

神經(jīng)科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為人腦的結(jié)構(gòu)是不變的，其神經(jīng)元在幼年即已定型。后來(lái)研究證明人腦實(shí)際上是可塑的：為了對(duì)環(huán)境激勵(lì)做出響應(yīng)并借助思維行為本身，人腦在動(dòng)態(tài)地改變自己的結(jié)構(gòu)、功能和神經(jīng)連接，甚至通過(guò)神經(jīng)再生長(zhǎng)出新的神經(jīng)元。而且這種神經(jīng)可塑性會(huì)一直持續(xù)到老。

這種經(jīng)證明的人腦可塑性正在開啟基于靈活、強(qiáng)大、量身定制的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù) (IaaS) 的突破性創(chuàng)新數(shù)字業(yè)務(wù)模型?；诳啥ㄖ圃频?IaaS 有望通過(guò)綜合與請(qǐng)求的服務(wù)有關(guān)的優(yōu)化計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性產(chǎn)品差異化，交付特定的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)，為最終用戶帶來(lái)增值。這種模式要求特別關(guān)注高計(jì)算強(qiáng)度功能或應(yīng)用背后的計(jì)算機(jī)架構(gòu)性能、定制化和安全性等設(shè)計(jì)參數(shù)。已經(jīng)出現(xiàn)在可重配置硬件技術(shù)的 DNA 中并且現(xiàn)在可部署到 FPGA 驅(qū)動(dòng)的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的這些技術(shù)特性，正準(zhǔn)備改變數(shù)字化業(yè)務(wù)的游戲規(guī)則。

神經(jīng)可塑性和云計(jì)算

近期神經(jīng)科學(xué)的最新進(jìn)展已經(jīng)顯示我們通過(guò)采用新的思維模式和行為方式就可以輕松地重塑自己的大腦。大腦和神經(jīng)系統(tǒng)用于定位行為的神經(jīng)路徑連接著大腦中相對(duì)較遠(yuǎn)的區(qū)域，而且每一個(gè)路徑都與特定的領(lǐng)域或行為息息相關(guān)。新的思維和技能一旦出現(xiàn)，就會(huì)鋪設(shè)新的路徑。每次我們思考、感受或做什么事情的時(shí)候，我們就會(huì)通過(guò)重復(fù)練習(xí)來(lái)強(qiáng)化相關(guān)路徑，直至行為成為習(xí)慣。

隨著神經(jīng)科學(xué)深化我們對(duì)大腦的理解，云計(jì)算技術(shù)在過(guò)去十年已取得長(zhǎng)足發(fā)展，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)為世界各地?cái)?shù)十億用戶提供計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)和存儲(chǔ)服務(wù)。個(gè)人、企業(yè)及其他機(jī)構(gòu)正在盡情享用存儲(chǔ)、視頻、消息傳輸、社交網(wǎng)絡(luò)、線上游戲和 Web 搜索等云服務(wù)。云服務(wù)不止是一種 IT 現(xiàn)象；它越來(lái)越多地成為企業(yè)在發(fā)展自己的業(yè)務(wù)的同時(shí)借助不斷提升的計(jì)算能力降低成本、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的動(dòng)力。行業(yè)觀察家已預(yù)計(jì)未來(lái)數(shù)年 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的主要開支將投入在云平臺(tái)和應(yīng)用上。

眾多研發(fā)團(tuán)隊(duì)深信 FPGA 是云計(jì)算服務(wù)器中的應(yīng)用專用加速器的未來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

這就是說(shuō)我們能否在發(fā)現(xiàn)神經(jīng)可塑性和云計(jì)算爆炸式增長(zhǎng)之間找到某種關(guān)系，可能激發(fā)新的數(shù)字業(yè)務(wù)模式？

試想對(duì)人的神經(jīng)系統(tǒng)的天生神經(jīng)可塑性進(jìn)行抽象，并將這個(gè)概念直接移植到云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)上。通過(guò)支持 FPGA 和 SoC 器件中可用的可重配置硬件技術(shù)，突破性 IaaS 模式可根據(jù)任何給定時(shí)間客戶提出的特定需求來(lái)適配和優(yōu)化分布在任何云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器計(jì)算機(jī)架構(gòu)，從而得到的計(jì)算轉(zhuǎn)化為增值。為強(qiáng)化神經(jīng)科學(xué)類比，我們使用“神經(jīng)可塑性云”一語(yǔ)來(lái)描述將軟核處理器與可編程邏輯融合在一起 (FPGA) ，以提供異構(gòu)硬件-軟件處理生態(tài)系統(tǒng)的物理云計(jì)算架構(gòu)。通過(guò)這種生態(tài)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器可根據(jù)云中使用的特定應(yīng)用定制和適配自己的計(jì)算能力（圖 1）。

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圖 1 - 神經(jīng)可塑性云架構(gòu)

這一概念激勵(lì)的是一種云計(jì)算模式的轉(zhuǎn)變。在這種轉(zhuǎn)變中，任何給定計(jì)算“大腦”的適配能力，一旦該“大腦”在可重配置硬件中綜合為移植到云端的定制計(jì)算單元，就能提供與在嚴(yán)格和特定的計(jì)算要求（往往通過(guò)今天的標(biāo)準(zhǔn)云解決方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)）下履行云服務(wù)的數(shù)字業(yè)務(wù)相比明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。能從這種方法中獲益的應(yīng)用領(lǐng)域包括金融趨勢(shì)分析、實(shí)時(shí)醫(yī)療成像處理、生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、基因組測(cè)序、能源/石油/天然氣分配實(shí)時(shí)控制、大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)。

把可重配置硬件技術(shù)引入到云計(jì)算領(lǐng)域的理念肇始于學(xué)術(shù)研究?？芍嘏渲糜?jì)算社區(qū)一段時(shí)間以來(lái)一直在探索將 FPGA 與通用處理器相結(jié)合的機(jī)會(huì)，而且眾多研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確信 FPGA 是未來(lái)的云計(jì)算服務(wù)器中應(yīng)用專用加速器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。這一理解尚未轉(zhuǎn)化為廣泛可用的商用解決方案；但微軟、IBM、英特爾、高通和百度等云技術(shù)主導(dǎo)企業(yè)加上 FPGA 廠商正在極力倡導(dǎo)將 FPGA 用于數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載的優(yōu)化。

在這個(gè)數(shù)字服務(wù)經(jīng)濟(jì)推動(dòng)云計(jì)算增長(zhǎng)的時(shí)代，云計(jì)算利益相關(guān)方逐漸認(rèn)識(shí)到，數(shù)據(jù)中心采用 FPGA 比采用其它可用替代方案，能提供更高的性能功耗比。這意味著云服務(wù)提供商會(huì)很快有新的策略，用于交付為他們的客戶的特定需求定制的計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)，并通過(guò)響應(yīng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)安全，當(dāng)然還包括性能等有意義的 QoS 參數(shù)加以量化。任何數(shù)字化企業(yè)的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)都會(huì)隨著可重配置硬件技術(shù)的部署發(fā)生明顯變化，直至企業(yè)停止把基礎(chǔ)架構(gòu)當(dāng)作商品對(duì)待，而是將其當(dāng)作業(yè)務(wù)價(jià)值鏈中的關(guān)鍵一環(huán)來(lái)使用。

三大內(nèi)在屬性支撐著提議的基于可重配置硬件的神經(jīng)塑性云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)：高性能（以更快速度得到結(jié)果）、靈活性（經(jīng)優(yōu)化的計(jì)算，采用完全適配將要運(yùn)行的特定應(yīng)用的架構(gòu)）和安全性（從設(shè)計(jì)提供的數(shù)據(jù)隱私、加密和防范網(wǎng)絡(luò)安全威脅的保護(hù)）。綜合運(yùn)用這些特征有望促成數(shù)字業(yè)務(wù)時(shí)代的突破性創(chuàng)新。

高性能計(jì)算走向云端

高性能計(jì)算 (HPC) 基本上是指使用并行處理功能高效、可靠、迅速地運(yùn)行高級(jí)應(yīng)用程序。過(guò)去高性能計(jì)算的使用權(quán)局限于學(xué)術(shù)界、工程師和科學(xué)家。實(shí)際上，高性能計(jì)算幾乎成為超級(jí)計(jì)算中心的代名詞，用于處理理論物理模型仿真的復(fù)雜計(jì)算。高性能計(jì)算的典型應(yīng)用領(lǐng)域包括氣候建模、碰撞仿真和生物信息學(xué)。這些領(lǐng)域在性質(zhì)上就是高計(jì)算強(qiáng)度的。

云計(jì)算讓高性能計(jì)算走入尋常百姓家。隨著時(shí)間推移，對(duì)這一計(jì)算能力的需求正在超越傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算中心，延伸到公有云、私有云、混合云、社區(qū)云乃至個(gè)人云中，用戶通過(guò)便攜式甚至是可穿戴嵌入式設(shè)備就能夠使用。

對(duì)許多服務(wù)和應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種對(duì)計(jì)算能力不斷增長(zhǎng)的需求意味著嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間要求，要求提供商使用最先進(jìn)的技術(shù)更新自己的計(jì)算平臺(tái)。在實(shí)時(shí)圖像處理、視頻流和大數(shù)據(jù)分析等這些應(yīng)用中，降低時(shí)延，加快得到結(jié)果都是最終用戶看重的 QoS 要素。大公司、創(chuàng)業(yè)企業(yè)和中小型企業(yè)(SME)逐漸認(rèn)識(shí)到，先進(jìn)的計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)能帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。隨著 HPC 進(jìn)入主流，云計(jì)算通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)限計(jì)算資源的共享彈性訪問(wèn)，在 HPC 交付方面正起著關(guān)鍵作用，尤其是對(duì)已經(jīng)使用集群和網(wǎng)格計(jì)算的工程和科學(xué)應(yīng)用而言。

鑒于云基礎(chǔ)架構(gòu)工作負(fù)載對(duì)計(jì)算能力、靈活性和電源效率提出了更高的要求，基于 FPGA 的首創(chuàng)替代方案能提供超越行業(yè)需求的高性能解決方案。借助可重復(fù)配置硬件技術(shù)，以并行處理支撐的計(jì)算平臺(tái)有望提供快捷平衡的解決方案，尤其是在要求以極快速度處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用中。為了顯著降低時(shí)延，F(xiàn)PGA 廠商與主要的利益相關(guān)方密切協(xié)作，通過(guò)將綜合在 FPGA 邏輯中的加速器連接至現(xiàn)有處理器，正設(shè)法實(shí)現(xiàn)高性能、更高能效的數(shù)據(jù)中心。

據(jù)中心中的靈活計(jì)算

隨著最終用戶逐漸習(xí)慣和依賴把自己的個(gè)人數(shù)據(jù)托管到云端，預(yù)計(jì)云計(jì)算將成為 IT 交付的默認(rèn)方式。與之相關(guān)的一個(gè)趨勢(shì)是把產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為服務(wù)，分解成能夠在按使用付費(fèi)業(yè)務(wù)模式中重新組合以準(zhǔn)確滿足客戶需求的單元。IaaS 就是一種把云計(jì)算硬件基礎(chǔ)設(shè)施（服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)）作為互聯(lián)網(wǎng)上的按需服務(wù)交付的途徑。許多企業(yè)意識(shí)到云硬件基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)他們的業(yè)務(wù)不可或缺，但他們把它當(dāng)作不會(huì)給自己帶來(lái)任何競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的商品對(duì)待，因?yàn)樗麄兊母?jìng)爭(zhēng)對(duì)手基本上使用相同的技術(shù)提供基本上相同的 QoS。

可重配置硬件技術(shù)能顛覆這樣的模式。該技術(shù)帶來(lái)極具競(jìng)爭(zhēng)力的性能功耗比提升，降低總體成本，并用作可擴(kuò)展的可重配置加速平臺(tái)，能夠?qū)θ魏喂ぷ髫?fù)載進(jìn)行按需優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)明顯的差異化。配備 FPGA 器件的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器能支持可針對(duì)特定計(jì)算優(yōu)化的硬件軟件計(jì)算平臺(tái)。靈活的硬件是讓最終用戶用上與云基礎(chǔ)架構(gòu)緊密掛鉤的豐富特性的關(guān)鍵，比如設(shè)計(jì)保障的專用高性能計(jì)算。

有幾大因素有利于向云端的靈活計(jì)算轉(zhuǎn)型。FPGA 的并行處理功能是一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。此外，通過(guò) FPGA 在云端集成異構(gòu)硬件資源，為無(wú)需依賴持續(xù)的 CPU 性能提升就能改善計(jì)算效率提供了機(jī)遇。

另外，為了增加任何特定計(jì)算任務(wù)的吞吐量，往往可以在 FPGA 資源中對(duì)其實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行流水線操作。借助靈活的硬件對(duì)最終用戶應(yīng)用進(jìn)行精細(xì)流水線，可交付最佳性能的定制解決方案。

接著，還可以發(fā)揮 FPGA 中硬件資源的部分可重配置性，在運(yùn)行中把不同的定制協(xié)處理器換入和換出特定資源，從而以多路復(fù)用的方式動(dòng)態(tài)地按需計(jì)算所需應(yīng)用算法中計(jì)算強(qiáng)度最大的部分。這種方法基本不會(huì)影響執(zhí)行時(shí)間，同時(shí)提供了一種能權(quán)衡面積與性能的低成本解決方案。

采用基于云的 IaaS 的可重配置硬件不僅可以擴(kuò)大云計(jì)算的供應(yīng)，提高定制化水平，還能增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性。

總之，定制云計(jì)算能為一定數(shù)量領(lǐng)域的提供商和從業(yè)者帶來(lái)重大差異化。例如，采用特定計(jì)算機(jī)架構(gòu)而非標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)支持的金融計(jì)算應(yīng)用能加快經(jīng)紀(jì)人對(duì)金融趨勢(shì)的分析，這樣他們買入或賣出股票的速度就能比他們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更快。如果負(fù)責(zé)處理所需的實(shí)時(shí)處理算法的計(jì)算機(jī)對(duì)執(zhí)行這些算法進(jìn)行了專門的優(yōu)化，醫(yī)療人員就能在開展遠(yuǎn)程外科手術(shù)的過(guò)程中提高成像質(zhì)量并縮短響應(yīng)時(shí)間。在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的大數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)游戲等其他計(jì)算領(lǐng)域中，QoS 以時(shí)延和開銷為衡量指標(biāo)，高 QoS 能產(chǎn)生顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。