FPGA云IP有什么优势？有什么不足？

小黄豆

FPGA云服务，作为云计算产品中一种新型的行业解决方案，具有性能优越、开发便捷、计费灵活等红利，加之其具有低延迟，高吞吐等能力，在基因、人工智能、金融等计算密集型领域得到广泛使用。2017年1月，腾讯云推出国内首款高性能异构计算基础设施，并致力于FPGA整个云服务生态圈的建设。现阶段腾讯云FPGA云已经形成“云＋行业”的发展思路，并已经在教育、基因等行业率先铺开。

传统FPGA开发，每家公司都有自己的一套硬件接口规范、软件驱动和上层接口，除此之外设计往往很难跨平台和器件直接使用，对于每次移植均需面临时间长和难度大等风险。统一标准将是对FPGA产业的一次划时代的整合和革新。

而在整个FPGA云“生态系统”里面，IP如同百货店里面的商品，没有大量的IP应用，自然也很难吸引到人群从浏览到购买，到最终的使用和评价。所以如何建立起FPGA IP市场成为整个FPGA云“生态系统”发展的关键。

然而FPGA IP市场建立也将面临诸多挑战：

IP安全

FPGA云服务是一个新的商业模式，其中IP要以下载文件的方式，通过FPGA云服务器下载到FPGA板卡上运行，所以IP的下载文件是通过云服务器厂商提供给最终用户。IP提供商因为担心产权泄露，对云服务器厂商有安全上的疑虑，如何解决IP安全问题，成为FPGA IP市场发展的关键。

IP移植

FPGA IP运行在FPGA板卡上，由于各家FPGA硬件平台不一样，导致IP开发商需要重新针对目标平台修改现有的设计。而与软件移植不同的是，FPGA的设计是精确到时钟周期，每个时钟周期不同的模块并发完成不同的操作。这就会涉及到从上层的系统层到底层的硬件时序的修改，也意味着IP开发商需要花费大量时间和精力在跨硬件平台移植上。

基于此，腾讯云在FPGA IP市场上带来了一系列创新举措。

安全

FPGA云系统提供源代码加密保护，用户下载文件加密保护以及DNA认证等安全手段。

以赛灵思的FPGA为例子，对于用户源代码，可以通过赛灵思提供的Vivado编译工具进行加密，该Vivado编译工具的加密标准是基于IEEE－1735标准；对于用户的下载文件，可以用DNA认证进行加密保护。目前腾讯云上所有的FPGA器件都有Device DNA，这是一个96 bit的二进制序列，在FPGA器件生产的时候烧死到芯片里面，每个芯片都是唯一的。这个序列，用户可以通过内部的逻辑直接读出。用户利用DNA唯一性，只有授权的DNA序列才能运行用户IP，从而实现IP的保护（参见图1）。

图表 1 FPGA云安全

开发框架

设计之初，FPGA云系统需要解决的一个重要问题就是通用性。通用性包括两层目标。第一，能够做到FPGA系统架构的通用。第二，能够做到用户接口的通用。最终让用户的设计“无感知”的运行在不同平台和不同类型的FPGA器件，减少移植的代价。

FPGA云系统包含两大区域，即静态区域和动态区域。静态区域虽然对于用户不可见，但是它却是整个系统架构的关键，构建起与上层PC侧的软件和FPGA侧动态区用户IP沟通桥梁，静态区域主要完成包括PCIe协议控制器、DMA数据传输、内存控制器、中断处理、地址管理模块和总线管理和适配模块、动态加载模块和一些系统调试模块等。动态区域对应的则是用户的IP，这里采用业界通用的AXI总线进行互联。如果采用私有的或者不通用的总线进行互联，用户往往需要对总线协议重新进行理解和开发，而且很难做到很好的系统可扩展性。APIs采用统一的外部接口与用户程序交互，用户不需要把精力花在驱动集成、调试和封装等繁琐细节，只需要专注于高附加值的上层应用和服务开发上（参见图2）。

图表 2 FPGA云开发框架

目前腾讯云FPGA云服务市场，已经有恒扬数据、联捷计算科技、菲数科技等多位合作伙伴加入，通过IP市场方式提供一系列行业解决方案，为用户提供性价比更高的加速方案，进一步完善FPGA云服务生态圈（参加图3）。

图3 IP市场提供行业解决方案

腾讯云FPGA云服务IP市场已在基因、图片视频、教育等行业和场景中落地。

基因行业解决方案

基因组测序是一种新型基因检测技术，它可以从血液或者唾液中分析测定基因全序列，用来预测疾病，个人的行为特征等等。随着测序成本不断降低并逼近数据分析成本，同时随着近年基因数据量爆发式增长，数据分析成为瓶颈，而传统方法计算速度慢，效率低，因此高性能计算势在必行。

常规的1个人类全基因组（上几百G数据）即使在一个高端服务器运算时间也至少需要几天左右时间，而腾讯推出的“云＋基因”原生态解决方案通过对二代测序流程进行硬件加速来解决生物计算量的性能瓶颈。传统方法一个全基因组计算纯软件方案需要大约60小时，腾讯“云＋基因”原生态解决方案将时间降到26小时以内。目前该方案已经在基因领域已经落地并成功稳定应用中。

图片视频解决方案

我们所知道的图片压缩算法有：JPEG、WEBP、H264（帧内压缩）、H265（帧内压缩）。它们对应的压缩能力大小分别是：JPEG ＜ WEBP／H264（帧内压缩） ＜ H265（帧内压缩）。H265（帧内压缩）的压缩率和WEBP／H264（帧内压缩）相比提高20～30％左右，和JPEG相比提高50％左右。但是这个压缩能力是通过计算复杂度的提高来实现，其中WEBP、H265的计算复杂度是更是JPEG压缩的10倍以上。

随着智能手机的普及，图片、视频的产生和分享已经是人们普遍的娱乐方式。而对于互联网服务商和用户来说，图片和视频的不断累积，也为带宽和流量带来越来越多的负担和需求消耗。

腾讯FPGA云通过更高压缩比的H265（帧内压缩）方案，使用FPGA对图片转码进行加速，增强图片转码能力，在互联网图片处理业务中，尽可能的压缩图片，减少图片存储和传输分发的数据量，既节省用户带宽，也可以提高用户下载图片的速度，让互联网服务商和用户以更低的投入， 获得更好的体验。

某视频内容提供商，在线业务中需要进行JPEG图片转WEBP图片的转码服务，为了满足处理延时和吞吐的要求，采用了腾讯FPGA云进行图片转码服务。在腾讯FPGA云上进行的灰度测试，结果显示：JPEG图片转WEBP图片，测试图片大小为1920x1080，FPGA处理延时相比CPU降低3倍，FPGA处理性能是CPU机器的7倍。

教育行业解决方案

传统FPGA教学和科研长期受制于硬件电路板、开发软件更新换代很快，陈旧教学环境与实际需求以及企业生产环境脱节，申购流程繁琐和时间长等难题。从产业发展的角度，由于缺乏统一的硬件平台，FPGA底层重复劳动多，面向应用开发的少，硬件开源发展缓慢，FPGA个体教学和科研成果也很难为企业带来收益，也严重影响了FPGA行业的长久发展。

2017年8月3日，在OpenHW Contest and Professor Conference 2017上，腾讯云携手依元素科技，与国家电子电工教学示范中心——东南大学电工电子实验中心合作，落地国内首个基于FPGA云服务的科研项目。

这是国内首个基于FPGA云服务的科研项目，也是是国内FPGA云服务落地具体场景的首个成功案例，同时还是传统的FPGA从技术平台走向具体行业并成功实践的一个重要开端。基于腾讯云提供的FPGA计算服务，东南大学科研人员能够在一个开源的系统平台进行具有高附加值的教学和研究。同时，腾讯云还提供一套开放HDK／SDK，缩短使用者开发时间，助力高校FPGA理论研究成果迅速转化。

腾讯“FPGA云＋教育”，通过不断丰富和完善FPGA云＋课堂以及线上实验室等多个主题，最终将FPGA云产品落地到各大高等院校的课程和科研当中，目前FPGA云已经成功应用在东南大学数字电路课程中。后续，还将推动在全国范围内300多所高校的合作，让FPGA云服务走进校园和科研实验室，助力高校在FPGA教学和科研的改革，提升高校人才的整体竞争力。

结语

FPGA云是云计算2．0时代应运而生的“芯”力量，在人工智能、基因、大数据等众多领域拥有广阔的前景和业界成功的案例，伴随着近年来云计算和人工智能的浪潮，FPGA云将走进公众的视野。FPGA云完善的IP市场生态圈、成熟的云架构和行业领先的解决方案，将吸引更多云客户愿意尝试这种“芯”技术带来的红利，铸造出扎根于行业的成功解决方案。