如何将FPGA资源平民化？阿里工程师有了新突破

FPGA (现场可编程门阵列)由于其硬件并行加速能力和可编程特性，在传统通信领域和IC设计领域大放异彩。一路走来，FPGA并非一个新兴的硬件器件，由于其开发门槛过高，硬件加速算法的发布和部署保护要求非常高，FPGA的使用一直是高冷的美人，没有走入寻常百姓家，导致FPGA的计算潜力还没有得到深入的挖掘。

接下来，我们来看看阿里云对它进行了怎样的改造。

阿里云ECS的异构计算团队和高性能计算团队一直致力于将计算资源"平民化"；高性能计算团队在做的E-HPC就是要让所有云上用户都能够瞬间拥有一个小型的超算集群，使得超算不再仅仅是一些超算中心和高校的特权；而我们异构计算团队则致力于将目前最快、最新的计算设备在云上提供给用户，使得曾经高冷的计算资源不再拒人千里之外：我们推出了FPGA云服务器FaaS 服务， 其中的F1和F2实例已经对外提供服务，可以通过一键部署的方式把Intel和Xilinx的小规格的器件计算能力赋予客户。

今天我们很高兴地宣布：新晋的大规格FPGA实例，基于Xilinx 16nm Virtex UltraScale+ 器件VU9P的异构计算实例F3在阿里云上线了！

我们借此机会，对阿里云FPGA计算服务（下面简称FaaS）本身，以及这次发布的F3实例的底层硬件架构和平台架构做一个技术解读。

FaaS

阿里FPGA云服务器平台FaaS（FPGA as a Service）在云端提供统一硬件平台与中间件，可大大降低加速器的开发与部署成本。加速器开发商的加速器可以形成服务提供给加速器用户，消除加速技术与最终用户的硬件壁垒。用户则能够在无需了解底层硬件的情况下，直接按需使用加速服务。

为了给加速器提供方和使用方提供更加高效、统一的开发及部署平台，FaaS提供两大套件：HDK和SDK。

HDK

HDK给所有的加速器开发者提供统一的FPGA硬件接口，提前帮用户解决了FPGA开发中难度最大的高速接口开发及调试，例如PCIe、SERDES接口、DDR控制器等等；使得用户能够直接得到硬件平台和FPGA接口的最大性能，不会因为团队开发能力和经验的欠缺，造成硬件平台性能浪费；高效、可靠、统一的接口套件也为云上平台的安全隔离、设备稳定提供了保障，不会因为用户的接口设计问题，造成服务器宕机；同时可以杜绝用户在FPGA端对主机的非法操作，为整个云上安全提供保障。

HDK包括两个部分，Shell和 Role；Shell部署在静态区域，提供上述统一接口部分。

在提供统一接口、安全性和便捷性的前提下，阿里云FaaS HDK 也尽最大的努力保证用户设计的灵活性，Role的概念应运而生。Role部署在动态区域，是在Shell之外，预先开发并提供的，用户可以配合用户逻辑（Customer Logic）使用。不同于Shell，用户可以根据需要，随时更换Role部分；这种Shell + Role的组合方式，保证了Shell的最轻量化和稳定性，又兼顾了统一性、便捷性和灵活性。

SDK

SDK包括两个部分：

和HDK（Shell+Role）对应的主机端驱动（Drivers）和软件库（Libraries）

FPGA管理工具 faascmd套件

驱动和软件库和HDK的Shell以及Role相对应，和HDK一起，为用户提供统一及灵活的软件支持，比如DMA驱动、寄存器访问驱动等等。

faascmd工具套件为用户提供云上FPGA管理服务，包括安全校验、FPGA镜像生成、下载及管理、FPGA加速卡状态查询反馈等功能。公有环境使用FPGA，需要考虑用户FPGA文件的安全，faascmd提供的秘钥及OSS bucket指定机制，有效保证了用户的FPGA下载文件的私密性。在线下的开发及应用中，开发者直接对FPGA进行下载操作，但在云上环境，用户对公有的FPGA资源直接操作对安全造成较大影响。Faascmd工具会对用户操作申请和物理FPGA资源进行隔离，保证了用户下载安全的同时，提供给用户类似线下操作的体验；同时会对用户提交的网表进行校验，提高安全、降低风险。faascmd同时也提供调用接口，用户能很容易地在自己的App中调用管理工具，结合自身加速器特性实现各种管理功能。

FaaS 的IP市场

FaaS降低了FPGA开发者的开发准入门槛：云上即开即用的FPGA资源、灵活的付费模式使得硬件资源触手可及；同时简化了开发流程，统一了开发接口，把核心加速逻辑从周边硬件设备的接口调试中隔离出来，使得FPGA的新兴应用可以只关注业务加速的核心逻辑，快速迭代；在这两点上，阿里云的FaaS 迈出了FPGA计算资源平民化的第一步。