異構(gòu)計(jì)算，GPU、FPGA、ASIC芯片將三分天下

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在IT界，異構(gòu)計(jì)算并不是一個(gè)新興的詞。

近十年來(lái)，計(jì)算行業(yè)經(jīng)歷了從32bit、“x86-64”、多核心、通用GPGPU以及2010年“CPU—GPU”異構(gòu)計(jì)算的變遷。而最近幾年，隨著人工智能、高性能數(shù)據(jù)分析和金融分析等計(jì)算密集型領(lǐng)域的興起，異構(gòu)計(jì)算才突然火了起來(lái)。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)通用計(jì)算的方式已經(jīng)無(wú)法滿足我們對(duì)計(jì)算能力的需求，異構(gòu)計(jì)算被認(rèn)為是現(xiàn)階段挑起計(jì)算大梁的關(guān)鍵技術(shù)，阿里云異構(gòu)計(jì)算產(chǎn)品解決方案就在這樣的大環(huán)境下誕生了，這支團(tuán)隊(duì)的掌舵人正是張獻(xiàn)濤。

張獻(xiàn)濤，花名旭卿，武漢大學(xué)信息安全博士，加入阿里巴巴前，他就職于英特爾亞太研發(fā)中心，是Xen、KVM等多個(gè)開(kāi)源虛擬化項(xiàng)目的主要貢獻(xiàn)者，曾擔(dān)任Xen/IOMMU以及KVM/IA64項(xiàng)目的Maintainer；同時(shí)，他也是Intel HAXM加速器的主要作者和貢獻(xiàn)者，并因此獲得英特爾最高成就獎(jiǎng)。

2014年，張獻(xiàn)濤正式加入阿里巴巴任資深專家，目前在阿里主要負(fù)責(zé)虛擬化技術(shù)、高性能計(jì)算產(chǎn)品、異構(gòu)計(jì)算產(chǎn)品、以及一些創(chuàng)新類型產(chǎn)品的技術(shù)和研發(fā)的團(tuán)隊(duì)。

在這次訪談中，張獻(xiàn)濤分享了目前企業(yè)使用異構(gòu)計(jì)算方案的痛點(diǎn)，他還深入介紹了阿里云在均衡異構(gòu)計(jì)算資源所做的工作。

異構(gòu)計(jì)算的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

異構(gòu)計(jì)算是指不同類型的指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元組成的系統(tǒng)的計(jì)算方式，目前 “CPU+GPU”以及“CPU+FPGA” 都是最受業(yè)界關(guān)注的異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)。它最大的優(yōu)點(diǎn)是具有比傳統(tǒng)CPU并行計(jì)算更高效率和低延遲的計(jì)算性能，尤其是業(yè)界對(duì)計(jì)算性能需求水漲船高的情況下，異構(gòu)計(jì)算變得愈發(fā)重要。整個(gè)計(jì)算行業(yè)生態(tài)無(wú)一不在此發(fā)力，芯片企業(yè)投入了大量的資金，異構(gòu)編程的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)也在逐漸成熟，而主流的云服務(wù)商更是在積極布局，一時(shí)間，異構(gòu)計(jì)算大有取代傳統(tǒng)同構(gòu)計(jì)算之勢(shì)。

張獻(xiàn)濤也表示，異構(gòu)計(jì)算能夠很好的滿足人工智能、高性能數(shù)據(jù)分析、金融分析等計(jì)算密集型領(lǐng)域的計(jì)算需求，而這一技術(shù)會(huì)逐漸取代原來(lái)通用計(jì)算不擅長(zhǎng)的部分。

但是在光鮮亮麗的外殼之下，對(duì)于一般用戶來(lái)說(shuō)，異構(gòu)計(jì)算的采購(gòu)、部署以及使用門檻對(duì)絕大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō)都很高。對(duì)此，張獻(xiàn)濤主要談到以下幾個(gè)痛點(diǎn)：

1.采購(gòu)成本高：用戶小量采購(gòu)基本上沒(méi)有議價(jià)能力，特別是購(gòu)買FPGA板卡，量少的話采購(gòu)價(jià)格特別高。

2.交付周期長(zhǎng)：通常用戶從開(kāi)始需要采購(gòu)，到機(jī)型選擇、硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、供應(yīng)商選擇、機(jī)房選擇、財(cái)務(wù)審批等流程通常需要幾個(gè)月的時(shí)間。

3.沒(méi)有彈性：采購(gòu)?fù)炅薌PU/FPGA的數(shù)量就固定了，任務(wù)少的話多買的GPU/FPGA就浪費(fèi)了，任務(wù)多的話GPU/FPGA數(shù)量又不夠用。

4.沒(méi)有硬件紅利：采購(gòu)?fù)炅诵吞?hào)就固定了，如果有新的GPU/FPGA架構(gòu)上線只能追加預(yù)算購(gòu)買，老的GPU/FPGA性能跟不上應(yīng)用了。

5.數(shù)據(jù)孤島：線下的GPU/FPGA和線上的服務(wù)無(wú)法打通。

另外，他還補(bǔ)充道，做FPGA產(chǎn)品的最大挑戰(zhàn)是整個(gè)FPGA的生態(tài)環(huán)境很差，具備FPGA開(kāi)發(fā)能力特別是開(kāi)發(fā)FPGA做計(jì)算加速的客戶非常少。為此，我們會(huì)在云上建立IP開(kāi)發(fā)市場(chǎng)并且引入一系列的FPGA IP合作伙伴，并推動(dòng)建立云上FPGA的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，豐富整個(gè)FPGA的開(kāi)發(fā)生態(tài)環(huán)境，吸引更多的IP開(kāi)發(fā)廠商和合作伙伴把他們的IP放在IP開(kāi)發(fā)市場(chǎng)上，去服務(wù)他們的最終用戶，從而進(jìn)一步豐富整個(gè)FPGA的生態(tài)環(huán)境?！?

阿里云在短時(shí)間里先后推出彈性GPU和FPGA異構(gòu)計(jì)算的解決方案，目的就是降低異構(gòu)計(jì)算資源使用的門檻，對(duì)高性能計(jì)算有需求的企業(yè)可以隨買隨用。

阿里云彈性GPU產(chǎn)品主要面向人工智能、數(shù)據(jù)分析、科學(xué)計(jì)算、電影渲染、視頻圖像處理、視頻轉(zhuǎn)碼等場(chǎng)景，目前的應(yīng)用案例包括行為數(shù)據(jù)分析、千人千面、人臉識(shí)別、視頻識(shí)別、圖像識(shí)別、對(duì)象分類等；阿里云彈性FPGA產(chǎn)品主要面向人工智能、半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、基因計(jì)算、視頻圖像處理、數(shù)據(jù)分析決策等場(chǎng)景，目前的應(yīng)用案例包括深度學(xué)習(xí)推理、深度學(xué)習(xí)模型裁剪、非規(guī)整數(shù)據(jù)計(jì)算、視頻圖像處理、硬件半導(dǎo)體設(shè)計(jì)等。

阿里云在異構(gòu)計(jì)算領(lǐng)域的探索

眾所周知，相比CPU，GPU和FPGA擁有太多的優(yōu)勢(shì)，GPU有更高的并行度、更高的單機(jī)計(jì)算峰值、更高的計(jì)算效率；而FPGA的優(yōu)勢(shì)則主要體現(xiàn)在它擁有更高的每瓦性能、非規(guī)整數(shù)據(jù)計(jì)算更高的性能、更高的硬件加速性能、更低的設(shè)備互聯(lián)延遲。

但在云端的解決方案上，便意味著優(yōu)勢(shì)的進(jìn)一步放大，張獻(xiàn)濤介紹，阿里云GPU和FPGA異構(gòu)計(jì)算解決方案主要有以下特點(diǎn)：

1.GPU/FPGA資源即買即用，彈性伸縮。

2.超大規(guī)模資源池，滿足業(yè)務(wù)峰值的GPU/FPGA數(shù)量的需求。

3.享受異構(gòu)計(jì)算超摩爾定律的硬件紅利，以相同的價(jià)格使用性能更強(qiáng)的GPU/FPGA實(shí)例。

4.最全面的異構(gòu)產(chǎn)品線，滿足人工智能訓(xùn)練、推理，圖像視頻處理等各種不同的需求。

5.產(chǎn)品整合：和整個(gè)阿里云產(chǎn)品體系深度整合，數(shù)據(jù)打通。

這些特性完美的解決了用戶使用異構(gòu)計(jì)算方案的痛點(diǎn)。張獻(xiàn)濤還透露，現(xiàn)在大部分客戶都在單機(jī)上訓(xùn)練模型，通常需要幾周到一個(gè)月的時(shí)間，因此阿里云正在計(jì)劃推出一款超高性能異構(gòu)集群的產(chǎn)品。

“該產(chǎn)品的GPU/FPGA之間可以通過(guò)25/100Gb ROCE走RDMA協(xié)議直連，可以多機(jī)多卡，用非常多的GPU/FPGA設(shè)備集群來(lái)共同訓(xùn)練一個(gè)模型，大大減少用戶訓(xùn)練的時(shí)間，從幾周到一個(gè)月縮短到一天或者幾個(gè)小時(shí)的級(jí)別?！?

值得一提的是，阿里云異構(gòu)計(jì)算解決方案也針對(duì)開(kāi)發(fā)者做出了更友好的體驗(yàn)：

在GPU編程方面，阿里云會(huì)推出分布式多機(jī)多卡訓(xùn)練框架和其他GPU上的性能優(yōu)化服務(wù)，能夠大大降低客戶使用多機(jī)多卡的門檻，從而減少客戶在云上做深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練的時(shí)間。

FPGA方面，阿里云會(huì)建立IP開(kāi)發(fā)市場(chǎng)并且引入一系列的FPGA IP合作伙伴，并且會(huì)推出自研的IP系列，通過(guò)IP市場(chǎng)的繁榮讓更多的最終用戶能夠享受到FPGA的性能加速。

另外，阿里云還推出了IaaS+的服務(wù)，包括發(fā)布E-HPC產(chǎn)品做異構(gòu)集群的資源調(diào)度、賬號(hào)管理和彈性伸縮，通過(guò)容器服務(wù)來(lái)做一鍵部署、分布式訓(xùn)練和彈性伸縮，通過(guò)XDL來(lái)做行為數(shù)據(jù)分析，利用阿里云自研的GPU匯編器來(lái)優(yōu)化提升應(yīng)用的性能，提高異構(gòu)計(jì)算設(shè)備的利用率，減少資源的采購(gòu)成本。

未來(lái)：GPU、FPGA、ASIC三分天下

人工智能以及其它新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ谟?jì)算量的需求超過(guò)了通用CPU的摩爾定律的發(fā)展速度，而異構(gòu)計(jì)算的性能增長(zhǎng)速度能夠滿足這些新興的方向和趨勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)的是，異構(gòu)計(jì)算會(huì)在今后的數(shù)據(jù)中心中占據(jù)越來(lái)越多的份額。

宏觀來(lái)看，異構(gòu)計(jì)算的發(fā)展也得益于國(guó)家戰(zhàn)略的推動(dòng)。例如，最近國(guó)家下發(fā)了人工智能的發(fā)展規(guī)劃，人工智能已經(jīng)成為國(guó)家戰(zhàn)略，這勢(shì)必會(huì)刺激異構(gòu)計(jì)算的需求。當(dāng)然，張獻(xiàn)濤也坦言，雖然異構(gòu)計(jì)算的應(yīng)用需求越來(lái)越多，但通用計(jì)算的需求也會(huì)一直存在，二者將會(huì)長(zhǎng)期共存。

毫無(wú)疑問(wèn)，目前異構(gòu)計(jì)算領(lǐng)域GPU處理器已經(jīng)占據(jù)了主流地位，但對(duì)未來(lái)的趨勢(shì)，張獻(xiàn)濤則表示，“隨著FPGA的生態(tài)環(huán)境的建立和完善、ASIC芯片的逐漸成熟，未來(lái)異構(gòu)計(jì)算領(lǐng)域會(huì)呈現(xiàn)GPU、FPGA、ASIC芯片三分天下的局面，GPU、FPGA、ASIC芯片都會(huì)有自己獨(dú)特的特長(zhǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域，有自己獨(dú)特的客戶群體?！?

這也是張獻(xiàn)濤團(tuán)隊(duì)專注的方向，接下來(lái)團(tuán)隊(duì)會(huì)發(fā)布包括8卡/16卡GPU產(chǎn)品、下一代的Volta架構(gòu)的GPU產(chǎn)品、新一代的FGPA的產(chǎn)品，而ASIC芯片的產(chǎn)品上云也正在研發(fā)當(dāng)中。

目前他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)主要有兩個(gè)目標(biāo)：一方面致力于讓異構(gòu)計(jì)算變成用戶即買即用的計(jì)算資源，提供最為全面的異構(gòu)計(jì)算產(chǎn)品方案；另一方面致力于讓用戶能夠用好異構(gòu)資源，充分發(fā)揮異構(gòu)資源的處理能力，讓用戶的服務(wù)更具備競(jìng)爭(zhēng)力。也就是推動(dòng)異構(gòu)計(jì)算變成一種普適的計(jì)算能力。

云棲大會(huì)亮點(diǎn)揭秘

本次杭州云棲大會(huì)將設(shè)立異構(gòu)計(jì)算/高性能計(jì)算專場(chǎng)、虛擬化技術(shù)專場(chǎng)，屆時(shí)張獻(xiàn)濤都將發(fā)表主題演講，在大會(huì)正式開(kāi)幕之前，他也向云棲社區(qū)透露了一個(gè)重磅消息——阿里云將發(fā)布幾款重量級(jí)的異構(gòu)計(jì)算家族產(chǎn)品，涉及到異構(gòu)計(jì)算、通用計(jì)算、高性能計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域。他表示，這些產(chǎn)品都是為了解決用戶在使用阿里云的過(guò)程中遇到的痛點(diǎn)，包括集群的管理和調(diào)度問(wèn)題、云上彈性使用付費(fèi)軟件的License問(wèn)題、實(shí)例需要即擁有虛擬機(jī)的彈性又要擁有物理機(jī)的性能、多機(jī)多卡分布式訓(xùn)練降低訓(xùn)練時(shí)間等問(wèn)題。

異構(gòu)計(jì)算