5G網絡用FPGA加速卡的功能及設計

       Function and design consideration of acceleration card based on FPGA for 5G’s network
　　迎九/《電子產品世界》編輯

　　摘要：FPGA可編程加速卡用于“接入和邊緣網絡”與“核心網絡”之間的數據處理。在即將到來的5G時代，不僅可處理海量數據任務，而且成本增加很少。英特爾公司的FPGA可編程加速卡N3000就是這樣一款產品，本文介紹了其性能定位及設計考量。
　　關鍵詞：5G；FPGA；可編程；加速卡

　　FPGA可編程加速卡（PAC）的一個重要應用場合是減輕CPU的負擔，把一些原來要在CPU上運行的工作量轉移到FPGA的加速卡上，可用于從邊緣/智能設備到云的產品中（如圖1）。
　　1 服務5G的N3000加速卡

       5G即將登場，在“接入和邊緣網絡”與“核心網絡”之間面臨海量數據任務，同時服務提供商又希望從4G過渡到5G時不增加更多的成本（圖2），此時，FPGA可編程加速卡再次顯威力——英特爾推出了英特爾可編程加速卡N3000（即：英特爾），采用了英特爾? Arria? 10 FPGA，專為服務提供商而設計。在中國的目標客戶是一級和二級的電信服務商，還有很多設備制造商。

　　該加速卡可以把一些原來要在CPU上運行的工作量轉移到FPGA加速卡上。這既針對核心網絡，也針對無線接入網。優勢首先是這款產品是專門為5G定制的。它能夠支持高吞吐量、低延遲和高帶寬的應用。與此同時，因為5G的網絡技術還在不斷地發展過程中，所以它提供的是一個可定制的平臺。
　　因為該平臺是支持端到端的行業標準和一個開源的工具，所以可使用戶很快地將產品推向市場。一方面可以滿足5G的要求；另一方面也可以滿足網絡功能虛擬化（NFV）的要求。
　　眾所周知，從2017年下半年開始，英特爾宣布了多個FPGA的平臺和解決方案，既有針對邊緣網絡的，同時也有針對數據中心的。此次宣布的這款產品處在“接入和邊緣網絡”與“核心網絡”之間。至此，英特爾已把整個產品系列完成，這樣，既可結合英特爾的硬件的能力，同時又結合了軟件的能力和CPU的能力，可以使更多的工作負荷通過從CPU上卸下來放到FPGA上面，從而使整個網絡可以處理更多的工作量。

　　另外，在MWC期間，軟件合作伙伴還展示了采用該加速卡開發的一款面向 5G核心網絡 (CN)/演進分組核心的新型解決方案——率先實現真正的200 Gbps/服務器。據悉，這是英特爾第一款針對網絡用途的FPGA可編程加速卡。
　　2 熱門問答

       英特爾可編程解決方案事業部（PSG）產品市場總監Sabrina Gomez女士接受了《電子產品世界》等媒體采訪。
　　的設計難點此次提出的接入核心網絡的加速卡，相比英特爾的云端加速卡，在性能和要求上有哪些顯著的不同？實際上，這還是取決于工作負載。針對云或數據中心的一般是客戶群體比較廣泛，主要分成以下幾個細分的領域：對于基因測序和對金融的應用，還有對安全的應用。
　　針對網絡的解決方案可能要滿足的需求相對是比較確定的，不像數據中心這么廣泛，不過難點是5G的技術還在演變過程中，所以需要高度的定制化和充分的靈活性。
　　合作伙伴的可定制性主要是定制哪些？實際上，舉個例子，在英特爾和Affirmed Networks的合作中，后者是把英特爾參考的編碼和自己的軟件整合起來，而形成FPGA的加速。它能夠提供比較大的靈活性，就是它可以修改編碼，也可以加上它自己需要分流的工作的負荷，或者它也可以把一些工作負荷整合起來，因為英特爾有足夠多的邏輯可以供它使用。另外，隨著5G技術的標準還在變化，客戶無需在其服務器上安裝一個新的設備，只需要在FPGA上進行更換就可以了。
　　開發這個加速卡花了多長時間？從時間上來看，硬件可能是比較簡單的，這個時間比較快。但是做FPGA參考代碼的時間相對較長。還有一個時間比較長的是對質量的控制和驗證，這主要是為了配合生態系統中的合作伙伴。還有一塊時間比較長的是做整合的部分，包括它的行業標準的軟件，像DPDK、OPAE，或者是像數據平面開發套件或者開放的可編程加速引擎，還有編排支持等。
　　2.1 加速卡的特點把CPU的工作分流了，分流的是什么工作？
　　實際上，可以轉移或分流的工作負載在vRAN的應用里，包括4G的Turbo，即它的錯誤的糾正，還有5G的LDPC，此外還有前傳，包括加速。然后就是針對核心或者是NFV的應用，包括NFVI、VNF，還有針對安全的防火墻等等的，以及包括5G下一代的核心網絡等。
　　關于合作伙伴，基于可編程加速卡的生態建設和合作伙伴方面的具體情況如何？這個問題包括N3000及之前的可編程加速卡。實際上，關于英特爾和互聯網協議的開發商的合作，在數據中心層面約有20多個合作伙伴，滿足的是范圍較廣的客戶群的需求，包括數據分析、基因測序、金融和安全方面等。另外，針對網絡部分，這次是首次和Affirmed Networks軟件供應商合作。未來隨著N3000的推出，英特爾還會披露更多的合作伙伴的關系。針對邊緣，有硬件的服務器的合作伙伴。另外，針對這個平臺，是和英特爾的OpenVINO的框架來合作的，它是一個行業標準的框架。下面大概有十多個合作伙伴。
　　現 在 N 3 0 0 0 這 個 領 域 ， 業 界 是 否 都 認 同的方式？英特爾當然希望這種的模式能夠被行業廣泛使用。當然，市面上可能還會有其他的解決方案。從FPGA可編程加速卡來看，最顯著的優勢是可以同時分流多重的工作負荷。與此同時，它在不改變硬件的情況下可以改變工作負荷。即：這款產品和其他解決方案最大的區別是硬件加速器。因為其他的解決方案，它的處理或者工作負荷還是要在CPU上實現的。而本加速卡通過增加了100萬個邏輯單元，可以智能地分流，把很多原來需要在CPU上處理的工作負荷轉移到FPGA上。這樣使得CPU能夠獲得更多的帶寬來實現其他的功能。
　　相比其他FPGA公司的加速卡的優勢是什么？實際上，最大的一個區別就是英特爾有比較完整的產品線。從邊緣一直到云都有。其他的友商只是針對數據中心有加速卡。另外一個優勢是英特爾是有比較完整的硬件+平臺+行業標準的軟件的完整解決方案，這樣可以使用戶的產品能快速推向市場。
　　那么，與數據中心的加速卡相比，N3000的設計難點是什么？實際上，N3000最大的好處是可以使得生態系統中的合作伙伴（注：包括服務器的制造商等）無需了解FPGA到底是怎么回事，因為它本身是一個可編程的產品，而且它提供的是一個平臺——里面既有軟件，又有硬件，因此客戶拿來就可以用。

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第4期第24頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處