FPGA системы – это особые чипы, которые можно перепрограммировать нелимитированное количество раз на языке высокого уровня. Они стали прорывом в области высокопроизводительных вычислений. Нет необходимости покупать этот ускоритель, учитывая, что его стоимость в России начинается от 250 тысяч рублей. Его можно использовать, арендуя выделенный сервер с ускорителем, в рамках облачных технологий. Стоит подробнее рассмотреть, что такое модули FPGA, и где их можно использовать.
О чипах FPGA
FPGA чип (он же программируемая пользователем вентильная матрица и интегральная микросхема) может использоваться под различные задачи. Пользователь сам задает нужную конфигурацию с учетом требований.
Благодаря этим чипам удается ускорить процесс разработки и выхода продукта на рынок. Основным достоинством этой технологии считается отсутствие необходимости покупать процессор для решения определенной задачи. Это универсальное устройство: достаточно только обладать навыками программирования, чтобы задать новые настройки.
Базовые отличия FPGA от CPU, GPU
Сегодня существует три типа многоядерных процессоров:
- CPU. Универсален и позволяет достичь высокую производительность. Отлично подходит для решения узких задач, но плохо справляется с параллельными вычислениями. Сегодня данная проблема отчасти решается за счет имплементации в чипе процессора множества ядер.
- GPU. Максимальная скорость обмена информацией и большее количество ядер. Они позволяют выполнять сложные вычисления, используются в майнинге. У современных чипов несколько тысяч процессоров.
- FPGA. Максимально продуктивные, но требуют трудоемкого программирования. У этого чипа сниженное энергопотребление и есть возможность выполнять много векторных операций одновременно. Количество ядер может превышать 1 миллион.
FPGA ускоритель производится в различном форм-факторе, который включает в себя несколько видов памяти, в том числе с высокой пропускной способностью.
Области применения FPGA
Сфера применения этой технологии обширна:
- военные технологии;
- телекоммуникации;
- обработка видеопотоков для выполнения видеоаналитики;
- промышленность;
- создание прототипов;
- наука.
С помощью этих устройств удается существенно повысить скорость обработки информации и ускорить процесс решения задачи.
Понятие образа в технологии FPGA
FPGA-образ считается микропрограммой для чипа, которая разработана для выполнения узконаправленных вычислительных задач. Часто вместо слова «образ» используется термин IP-ядро.
Благодаря наличию технологий SDK и BSP удается получить единый файл конфигурации, который заточен для решения конкретно взятой задачи. Пользователь, обладая определенными навыками программирования, может менять настройки с учетом требований оператора.
Трудности доступа к технологии FPGA для клиентов
Несмотря на возможность заточить FPGA технологию под конкретно взятую задачу, есть 3 проблемы для ее массового использования:
- Высокая стоимость. Минимальная цена составляет 250 000 рублей. Чем больше производительность, тем выше стоимость.
- Небольшое число производителей, которые выпускают данную продукцию.
- Малое число программистов, которые могут изменить конфигурацию IP-ядра.
Для использования этого ускорителя дополнительно требуется приобрести лицензию на Intel OpenCL SDK. Без нее невозможно скомпилировать ядра.
Требования к ПК разработчика довольно высокие:
- ОЗУ от 18 ГБ, оптимально – 45 Гб;
- количество ядер процессора – не менее 8;
- объем видеопамяти – от 32 Гб.
Если компьютер разработчика не будет соответствовать этим требованиям, то компиляция ядер, скорее всего, будет невозможна.
Как результат, потенциальные клиенты заинтересованы в использовании этой технологии в будущем, но сегодня не спешат расстаться со своими деньгами для покупки нового продукта.
Облачные вычисления на FPGA
Облачные сервисы считаются альтернативой покупке собственной технологии. В данной ситуации клиенты получают виртуальные серверы с установленными на них ускорителями. Как результат, FPGA технология становится весьма популярной среди потенциальных клиентов. Они тестируют ее при минимальных финансовых затратах, что позволяет увеличить популярность ускорителей.
Концепция магазина образов FPGA
Создание FPGA-образа, который станет активно использоваться для решения текущих задач - это вопрос будущего. Дело в том, что сегодня команде программистов требуется около 2 месяцев, чтобы заточить процессор под новую задачу. Смогут выполнить программирование только опытные специалисты, которых не так много на рынке. То есть, необходимо ждать, пока число специалистов увеличится, а технология станет доступнее.
Благодаря созданию магазинов по типу AppStore удастся быстрее создавать рабочие образы, которые будут узконаправленными. Их можно будет загружать на серверы с FPGA ускорителями для решения задач в текущих проектах.
Подобный магазин был создан в 2018 году компанией Selectel, что позволило существенно ускорить процесс разработки IP-ядер для современных проектов.
Интеграция FPGA в облачные сервисы и сетевую инфраструктуру
FPGA технология будет востребована, так как клиенты заинтересованы в ее высокой производительности. Благодаря ее интеграции в облачные сервисы удается сделать ее доступнее. Новая технология увеличивает производительность облачных сервисов, поэтому компании станут использовать их чаще для решения сложных вычислительных задач. При этом вопрос перепрограммирования ядер в данном случае лежит на программистах провайдера, который предоставляет облачные услуги.
Сейчас нагрузка на базовую сеть постоянно растет. Это значит, что провайдерам придется применять ускорители, чтобы увеличить пропускную способность и увеличить скорость вычислений. Согласно прогнозам некоторых экспертов, с появлением сетей 5G нагрузка на них возрастет в 100-250 раз. Как результат, чтобы обеспечить потребности абонентов, мобильные операторы в скором будущем перейдут на использование FPGA технологий.
FPGA позволит:
- обнаруживать сетевые аномалии при использовании искусственного интеллекта;
- адаптировать алгоритмы ИИ для новых угроз;
- использовать ИИ для контроля качества работы сети;
- работать с устаревшими протоколами;
- увеличивать производительность сетей.
Таким образом, за этой технологией будущее, но время ее активного использования пока не пришло. Она опережает свое время, поэтому мало кто может себе позволить ее использовать. С возрастающей нагрузкой на сети и с увеличением сложностей задач в первую очередь ускорители будут использовать ученые и военные, однако в дальнейшем они будут апробированы представителями бизнеса тоже.
