基于 FPGA 的基礎(chǔ)架構(gòu)準備將神經(jīng)可塑性運用到 IaaS（基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)），實現(xiàn)高性能、定制化、設(shè)計安全的云計算服務(wù)。

神經(jīng)科學家曾經(jīng)認為人腦的結(jié)構(gòu)是不變的，其神經(jīng)元在幼年即已定型。后來研究證明人腦實際上是可塑的：為了對環(huán)境激勵做出響應(yīng)并借助思維行為本身，人腦在動態(tài)地改變自己的結(jié)構(gòu)、功能和神經(jīng)連接，甚至通過神經(jīng)再生長出新的神經(jīng)元。而且這種神經(jīng)可塑性會一直持續(xù)到老。

這種經(jīng)證明的人腦可塑性正在開啟基于靈活、強大、量身定制的云計算基礎(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 有望通過綜合與請求的服務(wù)有關(guān)的優(yōu)化計算來實現(xiàn)創(chuàng)新性產(chǎn)品差異化，交付特定的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)，為最終用戶帶來增值。這種模式要求特別關(guān)注高計算強度功能或應(yīng)用背后的計算機架構(gòu)性能、定制化和安全性等設(shè)計參數(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)動的云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的這些技術(shù)特性，正準備改變數(shù)字化業(yè)務(wù)的游戲規(guī)則。

神經(jīng)可塑性和云計算

近期神經(jīng)科學的最新進展已經(jīng)顯示我們通過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較遠的區(qū)域，而且每一個路徑都與特定的領(lǐng)域或行為息息相關(guān)。新的思維和技能一旦出現(xiàn)，就會鋪設(shè)新的路徑。每次我們思考、感受或做什么事情的時候，我們就會通過重復(fù)練習來強化相關(guān)路徑，直至行為成為習慣。

隨著神經(jīng)科學深化我們對大腦的理解，云計算技術(shù)在過去十年已取得長足發(fā)展，通過互聯(lián)網(wǎng)為世界各地數(shù)十億用戶提供計算、聯(lián)網(wǎng)和存儲服務(wù)。個人、企業(yè)及其他機構(gòu)正在盡情享用存儲、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；它越來越多地成為企業(yè)在發(fā)展自己的業(yè)務(wù)的同時借助不斷提升的計算能力降低成本、實現(xiàn)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的動力。行業(yè)觀察家已預(yù)計未來數(shù)年 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的主要開支將投入在云平臺和應(yīng)用上。

眾多研發(fā)團隊深信 FPGA 是云計算服務(wù)器中的應(yīng)用專用加速器的未來實現(xiàn)技術(shù)。

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

試想對人的神經(jīng)系統(tǒng)的天生神經(jīng)可塑性進行抽象，并將這個概念直接移植到云計算基礎(chǔ)架構(gòu)上。通過支持 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)任何給定時間客戶提出的特定需求來適配和優(yōu)化分布在任何云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器計算機架構(gòu)，從而得到的計算轉(zhuǎn)化為增值。為強化神經(jīng)科學類比，我們使用“神經(jīng)可塑性云”一語來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)的物理云計算架構(gòu)。通過這種生態(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算能力（圖 1）。

?

?

圖 1 - 神經(jīng)可塑性云架構(gòu)

這一概念激勵的是一種云計算模式的轉(zhuǎn)變。在這種轉(zhuǎn)變中，任何給定計算“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算單元，就能提供與在嚴格和特定的計算要求（往往通過今天的標準云解決方案無法實現(xiàn)）下履行云服務(wù)的數(shù)字業(yè)務(wù)相比明顯的競爭優(yōu)勢。能從這種方法中獲益的應(yīng)用領(lǐng)域包括金融趨勢分析、實時醫(yī)療成像處理、生物信息學、計算生物學、基因組測序、能源/石油/天然氣分配實時控制、大數(shù)據(jù)分析和深度學習。

把可重配置硬件技術(shù)引入到云計算領(lǐng)域的理念肇始于學術(shù)研究。可重配置計算社區(qū)一段時間以來一直在探索將 FPGA 與通用處理器相結(jié)合的機會，而且眾多研發(fā)團隊已經(jīng)確信 FPGA 是未來的云計算服務(wù)器中應(yīng)用專用加速器的實現(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)中心工作負載的優(yōu)化。

在這個數(shù)字服務(wù)經(jīng)濟推動云計算增長的時代，云計算利益相關(guān)方逐漸認識到，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算基礎(chǔ)架構(gòu)，并通過響應(yīng)時間、網(wǎng)絡(luò)安全，當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)的云計算基礎(chǔ)架構(gòu)都會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)當作商品對待，而是將其當作業(yè)務(wù)價值鏈中的關(guān)鍵一環(huán)來使用。

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)化的計算，采用完全適配將要運行的特定應(yīng)用的架構(gòu)）和安全性（從設(shè)計提供的數(shù)據(jù)隱私、加密和防范網(wǎng)絡(luò)安全威脅的保護）。綜合運用這些特征有望促成數(shù)字業(yè)務(wù)時代的突破性創(chuàng)新。

高性能計算走向云端

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

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

對許多服務(wù)和應(yīng)用來說，這種對計算能力不斷增長的需求意味著嚴格的響應(yīng)時間要求，要求提供商使用最先進的技術(shù)更新自己的計算平臺。在實時圖像處理、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)逐漸認識到，先進的計算基礎(chǔ)架構(gòu)能帶來競爭優(yōu)勢。隨著 HPC 進入主流，云計算通過實現(xiàn)對無限計算資源的共享彈性訪問，在 HPC 交付方面正起著關(guān)鍵作用，尤其是對已經(jīng)使用集群和網(wǎng)格計算的工程和科學應(yīng)用而言。

鑒于云基礎(chǔ)架構(gòu)工作負載對計算能力、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算平臺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時數(shù)據(jù)的應(yīng)用中。為了顯著降低時延，F(xiàn)PGA 廠商與主要的利益相關(guān)方密切協(xié)作，通過將綜合在 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)中心中的靈活計算

隨著最終用戶逐漸習慣和依賴把自己的個人數(shù)據(jù)托管到云端，預(yù)計云計算將成為 IT 交付的默認方式。與之相關(guān)的一個趨勢是把產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為服務(wù)，分解成能夠在按使用付費業(yè)務(wù)模式中重新組合以準確滿足客戶需求的單元。IaaS 就是一種把云計算硬件基礎(chǔ)設(shè)施（服務(wù)器、存儲、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)意識到云硬件基礎(chǔ)設(shè)施對他們的業(yè)務(wù)不可或缺，但他們把它當作不會給自己帶來任何競爭優(yōu)勢的商品對待，因為他們的競爭對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)帶來極具競爭力的性能功耗比提升，降低總體成本，并用作可擴展的可重配置加速平臺，能夠?qū)θ魏喂ぷ髫撦d進行按需優(yōu)化，從而實現(xiàn)明顯的差異化。配備 FPGA 器件的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器能支持可針對特定計算優(yōu)化的硬件軟件計算平臺。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)計保障的專用高性能計算。

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

另外，為了增加任何特定計算任務(wù)的吞吐量，往往可以在 FPGA 資源中對其實現(xiàn)方案進行流水線操作。借助靈活的硬件對最終用戶應(yīng)用進行精細流水線，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)用的方式動態(tài)地按需計算所需應(yīng)用算法中計算強度最大的部分。這種方法基本不會影響執(zhí)行時間，同時提供了一種能權(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大云計算的供應(yīng)，提高定制化水平，還能增強網(wǎng)絡(luò)安全性。

總之，定制云計算能為一定數(shù)量領(lǐng)域的提供商和從業(yè)者帶來重大差異化。例如，采用特定計算機架構(gòu)而非標準架構(gòu)支持的金融計算應(yīng)用能加快經(jīng)紀人對金融趨勢的分析，這樣他們買入或賣出股票的速度就能比他們的競爭對手更快。如果負責處理所需的實時處理算法的計算機對執(zhí)行這些算法進行了專門的優(yōu)化，醫(yī)療人員就能在開展遠程外科手術(shù)的過程中提高成像質(zhì)量并縮短響應(yīng)時間。在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的大數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)游戲等其他計算領(lǐng)域中，QoS 以時延和開銷為衡量指標，高 QoS 能產(chǎn)生顯著的競爭優(yōu)勢。