从芯片到系统：FPGA加速卡的发展历程与展望
一个重要的趋势
作为加速云数据中心的重要组件，FPGA已经开始了它在数据中心领域的广泛使用。除了像微软、亚马逊这样的大型云服务提供商之外，FPGA也逐渐开始进入其他类型和规模的数据中心，并在大数据处理、AI、网络功能加速等领域扮演者重要的角色。
(图片来自英特尔)
在这些基于大数据浪潮的全新应用中，FPGA厂商也在不断的探索和尝试新的FPGA推广方法。他们的最终目的非常简单，就是让更多的用户使用自己的FPGA产品。但在这个过程中，我们可以发现一个重要的发展趋势，那就是FPGA厂商正在逐渐的从单纯的芯片提供商，转变为系统级解决方案提供商。
回首过去，在传统的FPGA业务模型里，FPGA厂商通常只负责卖给客户两样东西：一个是FPGA芯片，另外一个是FPGA的开发工具。两件东西一旦售出，客户开发何种应用就与厂商无关。虽然厂商也会提供详尽的技术支持，但主要的开发过程往往还是由客户完成。
如今，FPGA厂商更倾向于提供给客户一个完整的系统级解决方案。两大FPGA厂商英特尔和赛灵思目前纷纷推出的各类FPGA加速卡，就是这个趋势的典型代表。
总体而言，FPGA厂商在硬件层面已经不单单提供芯片级的产品，而是进一步提供板卡级的产品组合。与开发板不同，FPGA加速卡是针对特定领域和应用的专业板卡，通常以PCIe扩展卡的方式进行部署。板卡上设计有丰富的高速I/O接口与存储资源，但往往不会配备太多开发板上常见的调试功能与资源，例如通用I/O等。
在软件层面，FPGA厂商除了提供传统的开发套件之外，现在还会提供与FPGA加速卡配套的驱动、各类软件库、编程接口（API），甚至还有下文会提到的完整的软件开发栈以及软硬件参考设计。
通过提供这些完整的开发环境，大大简化了FPGA的开发难度，使得软件开发人员也能在短时间内完成算法模型的FPGA实现。FPGA厂商的主要目的，是在不断提供原厂软硬件解决方案的同时，也在不断吸收第三方的IP与应用，从而构建一个完整的FPGA生态系统。
同时我们也注意到，除了FPGA原厂的加速卡方案之外，很多第三方厂家，比如华为、浪潮和Mellanox等，也相继推出了各自的FPGA加速卡产品。这些
第三方加速卡虽然采用的都是英特尔或赛灵思的FPGA芯片，但都针对各自的细分领域做了优化设计，以适应目标应用的需要。
在下文中，我将详细介绍一下当前在市场上主要的FPGA加速卡产品，以及各个厂商基于加速卡的FPGA生态系统布局。 英特尔的FPGA加速卡布局
早在2017年10月，英特尔就官宣了旗下的首款FPGA加速卡产品，名为“Programmable Acceleration Card”，简称PAC。同时发布的，还有与之配套的软硬件开发框架与加速栈系统。这不仅是英特尔FPGA的首款通用FPGA加速卡产品，也是当时市场上的首款面向大数据、AI、高新能计算等新兴领域的数据中心FPGA加速卡，因此PAC的意义非同小可。
（图片来自英特尔）
在硬件规格方面，PAC使用了英特尔的Arria10 GX FPGA，它基于英特尔的20纳米工艺制造，拥有115万个可编程逻辑单元，是当时性能和容量最强大的英特尔FPGA。PAC集成了8GB的DDR4内存和128MB闪存，有一个
QSFP+接口，能满足最高40Gbps的网络连接带宽，同时有PCIe Gen3 x8接口与主机CPU互联。
（图片来自英特尔）
值得注意的是，PAC的板级功耗约为45W~60W，因此得以采用了被动散热设计，从而将板卡的尺寸控制在了半高半长，方便在各类服务器的部署。 PAC的主要应用场景是加速数据中心的各类应用，作为英特尔的原厂产品，PAC在数据中心里有着得天独厚的优势。它天生可以作为英特尔Xeon处理器的硬件加速单元，用于卸载和加速原本在CPU上实现的各类应用，从而构成英特尔CPU+FPGA的高性能数据处理组合。
作为生态系统构建的重要组成部分，英特尔还发布了面向Xeon和FPGA的加速堆栈（Acceleration Stack），见下图。这个加速堆栈本质上是一个软件开发框架，包含了FPGA板卡的驱动、API、接口管理、软件库与开发工具等，从而为CPU与FPGA的联合开发提供了通用的编程接口，简化了开发流程，缩短了开发时间。
（图片来自英特尔）
为了向软件开发者进一步抽象底层的FPGA硬件资源，英特尔开源了名为“开放可编程加速引擎（Open Programmable Acceleration Engine - OPAE）”的技术。OPAE是一个层次化模型，提供了一系列标准的软件接口，以及常见硬件功能的FPGA实现，比如各类寄存器与内存分配逻辑等等。同时，也提供了很多操作系统内核空间的FPGA支持，使得开发者可以专注于用户空间的应用开发。
FPGA加速卡的发展历程与展望
