下一個(gè)突破性創(chuàng )新數字業(yè)務(wù)模式：神經(jīng)可塑性“云”

　　曾經(jīng)認為人腦的結構是不變的，其神經(jīng)元在幼年即已定型。后來(lái)研究證明人腦實(shí)際上是可塑的：為了對環(huán)境激勵做出響應并借助思維行為本身，人腦在動(dòng)態(tài)地改變自己的結構、功能和神經(jīng)連接，甚至通過(guò)神經(jīng)再生長(cháng)出新的神經(jīng)元。而且這種神經(jīng)可塑性會(huì )一直持續到老。

　　這種經(jīng)證明的人腦可塑性正在開(kāi)啟基于靈活、強大、量身定制的云計算基礎架構即服務(wù) (IaaS) 的突破性創(chuàng )新數字業(yè)務(wù)模型?；诳啥ㄖ圃频?IaaS 有望通過(guò)綜合與請求的服務(wù)有關(guān)的優(yōu)化計算來(lái)實(shí)現創(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(hù)帶來(lái)增值。這種模式要求特別關(guān)注高計算強度功能或應用背后的計算機架構性能、定制化和安全性等設計參數。已經(jīng)出現在可重配置硬件技術(shù)的 DNA 中并且現在可部署到 FPGA 驅動(dòng)的云計算基礎架構的這些技術(shù)特性，正準備改變數字化業(yè)務(wù)的游戲規則。

　　神經(jīng)可塑性和云計算

　　近期神經(jīng)科學(xué)的最新進(jìn)展已經(jīng)顯示我們通過(guò)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)系統用于定位行為的神經(jīng)路徑連接著(zhù)大腦中相對較遠的區域，而且每一個(gè)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，就會(huì )鋪設新的路徑。每次我們思考、感受或做什么事情的時(shí)候，我們就會(huì )通過(guò)重復練習來(lái)強化相關(guān)路徑，直至行為成為習慣。

　　隨著(zhù)神經(jīng)科學(xué)深化我們對大腦的理解，云計算技術(shù)在過(guò)去十年已取得長(cháng)足發(fā)展，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)為世界各地數十億用戶(hù)提供計算、聯(lián)網(wǎng)和存儲服務(wù)。個(gè)人、企業(yè)及其他機構正在盡情享用存儲、視頻、消息傳輸、社交網(wǎng)絡(luò )、線(xiàn)上游戲和 Web 搜索等云服務(wù)。云服務(wù)不止是一種 IT 現象;它越來(lái)越多地成為企業(yè)在發(fā)展自己的業(yè)務(wù)的同時(shí)借助不斷提升的計算能力降低成本、實(shí)現創(chuàng )新和業(yè)務(wù)轉型的動(dòng)力。行業(yè)觀(guān)察家

　　已預計未來(lái)數年 IT 基礎設施的主要開(kāi)支將投入在云平臺和應用上。

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

　　試想對人的神經(jīng)系統的天生神經(jīng)可塑性進(jìn)行抽象，并將這個(gè)概念直接移植到云計算基礎架構上。通過(guò)支持 FPGA 和 SoC 器件中可用的可重配置硬件技術(shù)，突破性 IaaS 模式可根據任何給定時(shí)間客戶(hù)提出的特定需求來(lái)適配和優(yōu)化分布在任何云計算基礎架構的數據中心中的服務(wù)器計算機架構，從而得到的計算轉化為增值。為強化神經(jīng)科學(xué)類(lèi)比，我們使用

　　眾多研發(fā)團隊深信 FPGA 是云計算服務(wù)器中的應用專(zhuān)用加速器的未來(lái)實(shí)現技術(shù)。

　　“神經(jīng)可塑性云”一語(yǔ)來(lái)描述將軟核處理器與可編程邏輯融合在一起 (FPGA) ，以提供異構硬件-軟件處理生態(tài)系統的物理云計算架構。通過(guò)這種生態(tài)系統，數據中心服務(wù)器可根據云中使用的特定應用定制和適配自己的計算能力。

　　這一概念激勵的是一種云計算模式的轉變。在這種轉變中，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(guò)今天的標準云解決方案無(wú)法實(shí)現)下履行云服務(wù)的數字業(yè)務(wù)相比明顯的競爭優(yōu)勢。能從這種方法中獲益的應用領(lǐng)域包括金融趨勢分析、實(shí)時(shí)醫療成像處理、生物信息學(xué)、計算生物學(xué)、基因組測序、能源/石油/天然氣分配實(shí)時(shí)控制、大數據分析和深度學(xué)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(xué)術(shù)研究?？芍嘏渲糜嬎闵鐓^一段時(shí)間以來(lái)一直在探索將 FPGA 與通用處理器相結合的機會(huì )，而且眾多研發(fā)團隊已經(jīng)確信 FPGA 是未來(lái)的云計算服務(wù)器中應用專(zhuān)用加速器的實(shí)現技術(shù)。這一理解尚未轉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)主導企業(yè)加上 FPGA 廠(chǎng)商正在極力倡導將 FPGA 用于數據中心工作負載的優(yōu)化。

　　在這個(gè)數字服務(wù)經(jīng)濟推動(dòng)云計算增長(cháng)的時(shí)代，云計算利益相關(guān)方逐漸認識到，數據中心采用 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(zhù)云服務(wù)提供商會(huì )很快有新的策略，用于交付為

　　他們的客戶(hù)的特定需求定制的計算基礎架構，并通過(guò)響應時(shí)間、網(wǎng)絡(luò )安全，當然還包括性能等有意義的 QoS 參數加以量化。任何數字化企業(yè)的云計算基礎架構都會(huì )隨著(zhù)可重配置硬件技術(shù)的部署發(fā)生明顯變化，直至企業(yè)停止把基礎架構當作商品對待，而是將其當作業(yè)務(wù)價(jià)值鏈中的關(guān)鍵一環(huán)來(lái)使用。

　　三大內在屬性支撐著(zhù)提議的基于可重配置硬件的神經(jīng)塑性云計算基礎架構：高性能(以更快速度得到結果)、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用的架構)和安全性(從設計提供的數據隱私、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字業(yè)務(wù)時(shí)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、迅速地運行高級應用程序。過(guò)去高性能計算的使用權局限于學(xué)術(shù)界、工程師和科學(xué)家。實(shí)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雜計算。高性能計算的典型應用領(lǐng)域包括氣候建模、碰撞仿真和生物信息學(xué)。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(zhù)時(shí)間推移，對這一計算能力的需求正在超越傳統的超級計算中心，延伸到公有云、私有云、混合云、社區云乃至個(gè)人云中，用戶(hù)通過(guò)便攜式甚至是可穿戴嵌入式設備就能夠使用。

　　對許多服務(wù)和應用來(lái)說(shuō)，這種對計算能力不斷增長(cháng)的需求意味著(zhù)

　　嚴格的響應時(shí)間要求，要求提供商使用最先進(jìn)的技術(shù)更新自己的計算平臺。在實(shí)時(shí)圖像處理、視頻流和大數據分析等這些應用中，降低時(shí)延，加快得到結果都是最終用戶(hù)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(jìn)的計算基礎架構能帶來(lái)競爭優(yōu)勢。隨著(zhù) HPC 進(jìn)入主流，云計算通過(guò)實(shí)現對無(wú)限計算資源的共享彈性訪(fǎng)問(wèn)，在 HPC 交付方面正起著(zhù)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(xué)應用而言。

　　鑒于云基礎架構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(shí)時(shí)數據的應用中。為了顯著(zhù)降低時(shí)延，FPGA 廠(chǎng)商與主要的利益相關(guān)方密切協(xié)作，通過(guò)將綜合在 FPGA 邏輯中的加速器連接至現有處理器，正設法實(shí)現高性能、更高能效的數據中心。

　　數據中心中的靈活計算

　　隨著(zhù)最終用戶(hù)逐漸習慣和依賴(lài)把自己的個(gè)人數據托管到云端，預計云計算將成為 IT 交付的默認方式。與之相關(guān)的一個(gè)趨勢是把產(chǎn)品轉化為服務(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(mǎn)足客戶(hù)需求的單元。IaaS 就是一種把云計算硬件基礎設施(服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò )和操作系統)作為互聯(lián)網(wǎng)

　　上的按需服務(wù)交付的途徑。許多企業(yè)意識到云硬件基礎設施對他們的業(yè)務(wù)不可或缺，但他們把它當作不會(huì )給自己帶來(lái)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(lái)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，能夠對任何工作負載進(jìn)行按需優(yōu)化，從而實(shí)現明顯的差異化。配備 FPGA 器件的數據中心服務(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(hù)用上與云基礎架構緊密掛鉤的豐富特性的關(guān)鍵，比如設計保障的專(zhuān)用高性能計算。

　　有幾大因素有利于向云端的靈活計算轉型。FPGA 的并行處理功能是一個(gè)明顯優(yōu)勢。此外，通過(guò) FPGA 在云端集成異構硬件資源，為無(wú)需依賴(lài)持續的 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(shí)現方案進(jìn)行流水線(xiàn)操作。借助靈活的硬件對最終用戶(hù)應用進(jìn)行精細流水線(xiàn)，可交付最佳性能的定制解決方案。

　　接著(zhù)，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，從而以多路復用的方式動(dòng)態(tài)地按需計算所需應用算法中計算強度最大的部分。這種方法基本不會(huì )影響執行時(shí)間，同時(shí)提供了一種能權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，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量領(lǐng)域的提供商和從業(yè)者帶來(lái)重大差異化。例如，采用特定計算機架構而非標準架構支持的金融計算應用能加快經(jīng)紀人對金融趨勢的分析，這樣他們買(mǎi)入或賣(mài)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(shí)時(shí)處理算法的計算機對執行這些算法進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，醫療人員就能在開(kāi)展遠程外科手術(shù)的過(guò)程中提高成像質(zhì)量并縮短響應時(shí)間。在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )上的大數據分析和網(wǎng)絡(luò )游戲等其他計算領(lǐng)域中，QoS 以時(shí)延和開(kāi)銷(xiāo)為衡量指標，高 QoS 能產(chǎn)生顯著(zhù)的競爭優(yōu)勢。

　　值得信賴(lài)的云計算

　　網(wǎng)絡(luò )安全和數據保隱私挑戰是云計算得到廣泛采用的主要障礙。因為云基礎架構在不同程度上一直是一種開(kāi)放和共享資源，它也成了內外部人員惡意攻擊的對象。而且今天在共享資源上執行特定計算或存儲敏感數據帶來(lái)的安全影響讓云計算難以成為關(guān)鍵應用的選擇。在當前的云平臺和基礎設施中都已經(jīng)觀(guān)察到旁路攻擊、身份綁架和惡意代碼分配。值得信賴(lài)的云計算解決方案可以避免這些問(wèn)題，因此對實(shí)現任何人能夠隨時(shí)隨地使用的定制化云計算而言十分重要。

　　采用基于云的 IaaS 的可重配置硬件部件可以擴大云計算的使用和定制化水平，還能增強相對于軟件解決方案的安全性。從設計上說(shuō)，FPGA 器件與云端傳統使用的軟件解決方案相比能提供明顯面積更小、防御更周密的攻擊面?；?FPGA 的云計算基礎架構的設計人員能夠讓安全性滿(mǎn)足

　　云系統架構的最高設計標準。下列因素有利于值得信賴(lài)的硬件增強型云計算。

　　•防范篡改的硬件安全原語(yǔ)和保護FPGA 提供物理不可克隆功能 (PUF) 等特定安全特性，可作為為每個(gè)電路提供唯一標識符的關(guān)鍵存儲的替代機制。FPGA 也適用于實(shí)現創(chuàng )建加密密鑰所需的真隨機數生成器 (TRNG)。

　　•加密算法的硬件實(shí)現高級加密標準 (AES) 和橢圓曲線(xiàn)密碼算法 (ECC) 就是在硬件中執行的加密算法的例子。這些算法的加密原語(yǔ)(旋轉、與或運算等)與 CPU 上的順序軟件執行相比，更適合于部署在 FPGA 硬件中。例如 AES 就可以分解為一套順序執行的階段或步驟，每個(gè)階段內部分解為一個(gè)基本運算循環(huán)。這些循環(huán)通過(guò)使用并行執行在硬件上展開(kāi)，可以以更快的速度運行。此外，步驟可以流水線(xiàn)化來(lái)提高性能。這些技術(shù)優(yōu)化了硬件中的加密算法的綜合。

　　•隨時(shí)數據保密(移動(dòng)中數據、使用中數據和閑置中數據)在開(kāi)發(fā)安全解決方案時(shí)性能降低是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。硬件解決方案相對于軟件解決方案更具優(yōu)勢，原因是硬件能夠在基本沒(méi)有開(kāi)銷(xiāo)的情況下完成低時(shí)延數據加密和解密。通過(guò)這種方法，應用通過(guò)云管理的一切信息都能夠以加密方式發(fā)送、接收和存儲，例如用加密文本取代明文文本，防止其受到網(wǎng)絡(luò )攻擊。

　　要挖掘云的全部潛力，為今天熟悉技術(shù)的用戶(hù)提供服務(wù)，需要能夠發(fā)揮可擴展、定制化計算、聯(lián)網(wǎng)和存儲資源集的作用的新業(yè)務(wù)模式。

　　•硬件防火墻硬件安全模塊能過(guò)濾所有通過(guò)系統通信總線(xiàn)的數據，加強數據抵御特定類(lèi)型攻擊的耐受力。

　　•數字簽名硬件方法還支持用戶(hù)認證和可驗證的認證和證書(shū)管理，從而實(shí)現可信根 (RoT)。

　　其他優(yōu)勢

　　行業(yè)用例說(shuō)明了基于硬件的云解決方案如何支持安全、高性能和靈活性等關(guān)鍵屬性。這包括 Google Project Vault。該項目把在硬件中綜合的加密計算嵌入到微型 SD 設備中。微軟的 Azure SmartNIC 基于 FPGA，用于在服務(wù)器中從 CPU 卸載軟件定義的聯(lián)網(wǎng)功能。微軟的 Catapult Project 則借助 FPGA 技術(shù)加快 Bing 搜索引擎的速度。Bitfusion 的 Cloud Adaptor 項目讓開(kāi)發(fā)人員得以在云中使用 FPGA。FPGA 技術(shù)已經(jīng)可用于證明數據中心服務(wù)器中的神經(jīng)可塑性云計算概念。賽靈思 Kintex® UltraScale™ FPGA 和賽靈思 Zynq® Ultrascale+™ MPSOC 器件系列都是有效的例子。

　　其他有利于基于 FPGA 的云計算基礎架構的因素有：

　　•可擴展性 云計算通過(guò)發(fā)揮數據中心的規模經(jīng)濟，正在帶來(lái)明顯的成本節約?；?FPGA 的云計算解決方案的擴展遠遠比基于 CPU 和 GPU 的解決方案容易。

　　•低功耗 在數據中心環(huán)境中，與原始性能相比更重要的是性能功耗比。數據中心要求高性能，但這種高性能的功耗特性應不超越數據中心服務(wù)器的要求的限值。與市場(chǎng)上的其他替代方案相比

　　基于 FPGA 的解決方案能提供高得多的性能功耗比。很明顯，最大化性能功耗比是提高數據中心可靠性和控制運營(yíng)成本的必備要求。

　　•環(huán)境友好性 延伸降低功耗的優(yōu)勢，基于 FPGA 的云計算正在興起，成為降低計算的碳排放的必行之道。

　　•冗余 通過(guò)使用 FPGA 技術(shù)管理異構硬件資源，開(kāi)發(fā)人員得以綜合出滿(mǎn)足特定冗余要求的定制解決方案。

　　IT 服務(wù)的用戶(hù)對下列要求缺一不可：移動(dòng)性、連接性、對信息的即時(shí)訪(fǎng)問(wèn)、立即得到計算結果和設計安全。云計算為企業(yè)提供了把任務(wù)從他們的本地基礎架構移到遠程經(jīng)優(yōu)化的計算集群的手段。要挖掘云的全部潛力，為今天熟悉技術(shù)的用戶(hù)提供服務(wù)，需要能夠發(fā)揮可擴展、定制化計算、聯(lián)網(wǎng)和存儲資源集的作用的新業(yè)務(wù)模式，從而為所有的客戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值。

　　神經(jīng)可塑性云計算在配備異構資源的精細粒度FPGA器件之上將高性能架構和受信任計算架構融為一體，能改善計算的能力、靈活性和安全性。硬件神經(jīng)可塑性通過(guò)為云端已確立的連接和移動(dòng)特性添加個(gè)性化、個(gè)人定制計算功能，掀起人們開(kāi)展業(yè)務(wù)方式的革命。

　　從利益相關(guān)方正在積極采取的行為來(lái)衡量，可重配置硬件技術(shù)迅速融合到云端并不遙遠。運行在數據中心服務(wù)器 CPU 上的軟件代碼與直接在硬件中處理的應用關(guān)鍵環(huán)節的結合，將實(shí)現為最終用戶(hù)帶來(lái)顯著(zhù)競爭優(yōu)勢的技術(shù)差異化。