移動算法 而非巨量數據

機器學習神經網絡進步使我們能夠處理越來越大量儲存資料。傳統方法是將數據傳輸到算法設備，但是這種移動巨量數據（高達 1 PB）以供可能只有幾十兆位元算法來進行處理真的有意義嗎？因此，在靠近數據儲存位置處理數據的想法引起了很多關注。本文研究了計算儲存理論和實踐，以及如何使用計算儲存處理器 (CSP) 為許多計算密集型任務提供硬件加速和更高性能，而不會給主機處理器帶來大量負擔。

數據集崛起
近年來，神經網絡算法在汽車、工業、安全和消費等應用中使用顯著增加。基于邊緣物聯網傳感器通常只處理少量數據，因此所使用算法占用很少代碼空間。然而，伴隨微控制器處理能力提高和功耗降低，機器學習算法在邊緣應用中使用開始呈指數級增長。卷積神經網絡用于視覺處理以及工業和汽車應用中對象檢測。例如，視覺處理系統可用于檢測標簽是否正確貼在高速工業生產線的瓶子上。

視覺系統還適用于更復雜任務，例如根據對象類型、條件和大小對物體進行分類。在汽車應用中，使用實時視覺系統進行多物體分類和識別能夠更充分利用神經網絡。除了具體市場應用外，神經網絡也可用于科學研究。例如，它可廣泛用于處理由分布在全球各地遙感衛星和地震監測傳感器收集的大量資料。

在大多數應用中，機器學習用于增加正確觀察和分類對象概率。然而，為此目的的訓練算法需要大型數據集（高達 PB），這些數據集移動、處理和儲存都具有非常大挑戰性。

計算儲存
近年來，基于NAND閃存普及程度快速增長，這種技術不再局限于高端儲存，還可用于一般商品固態儲存，一個典型用例是正在取代筆記本電腦和桌面計算機中的磁盤驅動器。固態儲存普及，加上NVMe協議興起（支持更高帶寬、更低延遲和更高儲存密度）以及 PCIe 連接帶來的更高數據速率，為我們提供了重新思考如何使用儲存和計算資源方法的機會。

 
圖一 : 具有計算和儲存平面的傳統計算架構。（source：BittWare）

圖一所示傳統方法可在計算平面和儲存平面之間移動數據。計算資源用于數據傳輸、處理、壓縮和解壓縮以及許多其他系統相關任務。所有這些任務的組合對可用資源造成沉重負擔。


 
圖二 : 計算儲存架構。（source：BittWare）

圖二所示計算儲存架構是一種更有效方法。它透過使用硬件加速器（通常在FPGA 上）來執行計算密集型任務。將 NVMe 閃存靠近并連接到硬件加速器，CPU 不再需要將數據從其儲存位置移動到處理位置附近，從而顯著降低運行負擔。如圖三所示，FPGA在其中扮演計算儲存處理器角色，從而能夠減輕 CPU 處理壓縮、加密或神經網絡推理等計算密集型任務負擔。


 
圖三 : 計算儲存處理器 (CSP)。（source：BittWare）

基于 FPGA 的計算儲存處理器
計算儲存處理器的一個例子是 BittWare IA-220-U2，它采用 Intel Agilex FPGA（具有多達 140 萬個邏輯組件、多達 16GB DDR4 內存和四個 PCIe Gen4 接口）。 DDR4 SDRAM 能夠以高達 2,400 MT/s 速率傳輸數據，它使用符合 SFF-8639 標準的 2.5 英寸 U.2 封裝和對流冷卻散熱器，能夠整合到 U.2 NVMe 儲存數組，如圖 4 所示。


 
圖四 : BittWare IA220-U2。（source： BittWare）

BittWare IA-220-U2通常消耗 20W功率，并支持熱插入，它具有板載 NVMe-MI且兼容 SMBus 控制器、SMBus FPGA 閃存控制功能以及 SMBus 訪問板載電壓和溫度監測傳感器，可理想適用于企業 IT 和數據中心等應用。BittWare IA-220-U2 功能方塊圖和主要特性如圖 5 所示。


 
圖五 : BittWare IA-220-U2 功能方塊圖和特性。（source：BittWare）

IA-220-U2 設計用于在大容量應用中執行各種加速任務，包括算法推理、壓縮、加密和散列（hashing）、影像搜索和數據庫分類以及重復數據刪除等。

使用 BittWare IA-220-U2 實現 CSP
BittWare IA -220-U2 可以使用 Eideticom 的 NoLoad IP 作為預配置解決方案提供。或者，它可以為客制化應用進行使用者程序設計。

透過提供包含 PCIe 驅動器、電路板監控設備以及電路板庫的 SDK，BittWare可用來支持客制開發?？梢允褂肐ntel Quartus Prime Pro 和高級綜合工具鏈以及設計流程來執行 FPGA 應用開發。

 
圖六 : Eideticom NoLoad IP 硬件特性。（來源：BittWare）

Eideticom 的 NoLoad IP 包括一個預配置即插即用解決方案，該解決方案采用基于 BittWare U.2 模塊的整合軟件堆棧，還提供一組硬件加速計算儲存服務 (CSS)，在圖 6 中以橙色突出顯示。



 
圖七 : Eideticom 的 NoLoad IP 軟件堆棧。（source：BittWare）

圖七 展示了 NoLoad IP 軟件組件，其中包括內核空間堆棧文件系統和使用 NoLoad CSS 的 NVMe 驅動器，以及面向具體應用的使用者空間 Libnoload。

Eideticom NoLoad CPU 不可知解決方案卸除功能將服務質量 (QoS) 提高了 40 倍，并還有較低擁有成本和更低功耗優勢。

卸除計算密集型任務可提高通量
使用基于 NVMe 計算儲存架構可在大型數據處理應用中提供更高性能并使用更少功率。這種架構透過使用基于 FPGA 的計算儲存處理器來執行計算密集型任務，降低了將資料從儲存點傳輸到處理器（并返回）的要求。在 NVMe NAND 閃存數組上處理點附近儲存數據可以節省能源，同時還可以減少延遲和所需帶寬。