下一个突破性创新数字业务模式：神经可塑性“云”

作者：Francesc Fon
MBA 博士
西班牙巴塞罗那伊萨德商学院 (ESADE)
francesc.fons@alumni.esade.edu

基于 FPGA 的基础架构准备将神经可塑性运用到 IaaS，实现高性能、定制化、设计安全的云计算服务。

神经科学家曾经认为人脑的结构是不变的，其神经元在幼年即已定型。后来研究证明人脑实际上是可塑的：为了对环境激励做出响应并借助思维行为本身，人脑在动态地改变自己的结构、功能和神经连接，甚至通过神经再生长出新的神经元。而且这种神经可塑性会一直持续到老。

这种经证明的人脑可塑性正在开启基于灵活、强大、量身定制的云计算基础架构即服务 (IaaS) 的突破性创新数字业务模型。基于可定制云的 IaaS 有望通过综合与请求的服务有关的优化计算来实现创新性产品差异化，交付特定的服务质量 (QoS)，为最终用户带来增值。这种模式要求特别关注高计算强度功能或应用背后的计算机架构性能、定制化和安全性等设计参数。已经出现在可重配置硬件技 术的 DNA 中并且现在可部署到 FPGA 驱动的云计算基础架构的这些技术特性，正准备改变数字化业务的游戏规则。

神经可塑性和云计算

近期神经科学的最新进展已经显示我们通过采用新的思维模式和行为方式就可以轻松地重塑自己的大脑。大脑和神经系统用于定位行为的神经路径连接着大脑中相对 较远的区域，而且每一个路径都与特定的领域或行为息息相关。新的思维和技能一旦出现，就会铺设新的路径。每次我们思考、感受或做什么事情的时候，我们就会 通过重复练习来强化相关路径，直至行为成为习惯。

 
图 1 — 神经可塑性云架构

随着神经科学深化我们对大脑的理解，云计算技术在过去十年已取得长足发展，通过互联网为世界各地数十亿用户提供计算、联网和存储服务。个人、企业及其他机 构正在尽情享用存储、视频、消息传输、社交网络、线上游戏和 Web 搜索等云服务。云服务不止是一种 IT 现象；它越来越多地成为企业在发展自己的业务的同时借助不断提升的计算能力降低成本、实现创新和业务转型的动力。行业观察家

已预计未来数年 IT 基础设施的主要开支将投入在云平台和应用上。

这就是说我们能否在发现神经可塑性和云计算爆炸式增长之间找到某种关系，可能激发新的数字业务模式？

试想对人的神经系统的天生神经可塑性进行抽象，并将这个概念直接移植到云计算基础架构上。通过支持 FPGA 和 SoC 器件中可用的可重配置硬件技术，突破性 IaaS 模式可根据任何给定时间客户提出的特定需求来适配和优化分布在任何云计算基础架构的数据中心中的服务器计算机架构，从而得到的计算转化为增值。为强化神经 科学类比，我们使用“神经可塑性云”一语来描述将软核处理器与可编程逻辑融合在一起 (FPGA) ，以提供异构硬件-软件处理生态系统的物理云计算架构。通过这种生态系统，数据中心服务器可根据云中使用的特定应用定制和适配自己的计算能力（图 1）。

这一概念激励的是一种云计算模式的转变。在这种转变中，任何给定计算“大脑”的适配能力，一旦该“大脑”在可重配置硬件中综合为移植到云端的定制计算单 元，就能提供与在严格和特定的计算要求（往往通过今天的标准云解决方案无法实现）下履行云服务的数字业务相比明显的竞争优势。能从这种方法中获益的应用领 域包括金融趋势分析、实时医疗成像处理、生物信息学、计算生物学、基因组测序、能源/石油/天然气分配实时控制、大数据分析和深度学习。

把可重配置硬件技术引入到云计算领域的理念肇始于学术研究。可重配置计算社区一段时间以来一直在探索将 FPGA 与通用处理器相结合的机会，而且众多研发团队已经确信 FPGA 是未来的云计算服务器中应用专用加速器的实现技术。这一理解尚未转化为广泛可用的商用解决方案；但微软、IBM、英特尔、高通和百度等云技术主导企业加上 FPGA 厂商正在极力倡导将 FPGA 用于数据中心工作负载的优化。

在这个数字服务经济推动云计算增长的时代，云计算利益相关方逐渐认识到，数据中心采用 FPGA 比采用其它可用替代方案，能提供更高的性能功耗比。这意味着云服务提供商会很快有新的策略，用于交付为他们的客户的特定需求定制的计算基础架构，并通过响 应时间、网络安全，当然还包括性能等有意义的 QoS 参数加以量化。任何数字化企业的云计算基础架构都会随着可重配置硬件技术的部署发生明显变化，直至企业停止把基础架构当作商品对待，而是将其当作业务价值 链中的关键一环来使用。

三大内在属性支撑着提议的基于可重配置硬件的神经塑性云计算基础架构：高性能（以更快速度得到结果）、灵活性（经优化的计算，采用完全适配将要运行的特定 应用的架构）和安全性（从设计提供的数据隐私、加密和防范网络安全威胁的保护）。综合运用这些特征有望促成数字业务时代的突破性创新。

高性能计算走向云端

高性能计算 (HPC) 基本上是指使用并行处理功能高效、可靠、迅速地运行高级应用程序。过去高性能计算的使用权局限于学术界、工程师和科学家。实际上，高性能计算几乎成为超级计算中心的代名词，用于处理理论物理模型仿真的复杂计算。高性能计算的典型应用领域包括气候建模、碰撞仿真和生物信息学。这些领域在性质上就是高计算强度的。

云计算让高性能计算走入寻常百姓家。随着时间推移，对这一计算能力的需求正在超越传统的超级计算中心，延伸到公有云、私有云、混合云、社区云乃至个人云中，用户通过便携式甚至是可穿戴嵌入式设备就能够使用。

对许多服务和应用来说，这种对计算能力不断增长的需求意味着严格的响应时间要求，要求提供商使用最先进的技术更新自己的计算平台。在实时图像处理、视频流 和大数据分析等这些应用中，降低时延，加快得到结果都是最终用户看重的 QoS 要素。大公司、创业企业和中小型企业(SME)逐渐认识到，先进的计算基础架构能带来竞争优势。随着 HPC 进入主流，云计算通过实现对无限计算资源的共享弹性访问，在 HPC 交付方面正起着关键作用，尤其是对已经使用集群和网格计算的工程和科学应用而言。

鉴于云基础架构工作负载对计算能力、灵活性和电源效率提出了更高的要求，基于 FPGA 的首创替代方案能提供超越行业需求的高性能解决方案。借助可重复配置硬件技术，以并行处理支撑的计算平台有望提供快捷平衡的解决方案，尤其是在要求以极快 速度处理实时数据的应用中。为了显著降低时延，FPGA 厂商与主要的利益相关方密切协作，通过将综合在 FPGA 逻辑中的加速器连接至现有处理器，正设法实现高性能、更高能效的数据中心。

数据中心中的灵活计算

随着最终用户逐渐习惯和依赖把自己的个人数据托管到云端，预计云计算将成为 IT 交付的默认方式。与之相关的一个趋势是把产品转化为服务，分解成能够在按使用付费业务模式中重新组合以准确满足客户需求的单元。IaaS 就是一种把云计算硬件基础设施（服务器、存储、网络和操作系统）作为互联网上的按需服务交付的途径。许多企业意识到云硬件基础设施对他们的业务不可或缺， 但他们把它当作不会给自己带来任何竞争优势的商品对待，因为他们的竞争对手基本上使用相同的技术提供基本上相同的 QoS。

可重配置硬件技术能颠覆这样的模式。该技术带来极具竞争力的性能功耗比提升，降低总体成本，并用作可扩展的可重配置加速平台，能够对任何工作负载进行按需 优化，从而实现明显的差异化。配备 FPGA 器件的数据中心服务器能支持可针对特定计算优化的硬件软件计算平台。灵活的硬件是让最终用户用上与云基础架构紧密挂钩的丰富特性的关键，比如设计保障的专 用高性能计算。

有几大因素有利于向云端的灵活计算转型。FPGA 的并行处理功能是一个明显优势。此外，通过 FPGA 在云端集成异构硬件资源，为无需依赖持续的 CPU 性能提升就能改善计算效率提供了机遇。

另外，为了增加任何特定计算任务的吞吐量，往往可以在 FPGA 资源中对其实现方案进行流水线操作。借助灵活的硬件对最终用户应用进行精细流水线，可交付最佳性能的定制解决方案。

接着，还可以发挥 FPGA 中硬件资源的部分可重配置性，在运行中把不同的定制协处理器换入和换出特定资源，从而以多路复用的方式动态地按需计算所需应用算法中计算强度最大的部分。这种方法基本不会影响执行时间，同时提供了一种能权衡面积与性能的低成本解决方案。

总之，定制云计算能为一定数量领域的提供商和从业者带来重大差异化。例如，采用特定计算机架构而非标准架构支持的金融计算应用能加快经纪人对金融趋势的分 析，这样他们买入或卖出股票的速度就能比他们的竞争对手更快。如果负责处理所需的实时处理算法的计算机对执行这些算法进行了专门的优化，医疗人员就能在开 展远程外科手术的过程中提高成像质量并缩短响应时间。在卷积神经网络上的大数据分析和网络游戏等其他计算领域中，QoS 以时延和开销为衡量指标，高 QoS 能产生显著的竞争优势。

值得信赖的云计算

网络安全和数据保隐私挑战是云计算得到广泛采用的主要障碍。因为云基础架构在不同程度上一直是一种开放和共享资源，它也成了内外部人员恶意攻击的对象。而 且今天在共享资源上执行特定计算或存储敏感数据带来的安全影响让云计算难以成为关键应用的选择。在当前的云平台和基础设施中都已经观察到旁路攻击、身份绑 架和恶意代码分配。值得信赖的云计算解决方案可以避免这些问题，因此对实现任何人能够随时随地使用的定制化云计算而言十分重要。

采用基于云的 IaaS 的可重配置硬件部件可以扩大云计算的使用和定制化水平，还能增强相对于软件解决方案的安全性。从设计上说，FPGA 器件与云端传统使用的软件解决方案相比能提供明显面积更小、防御更周密的攻击面。基于 FPGA 的云计算基础架构的设计人员能够让安全性满足

云系统架构的最高设计标准。下列因素有利于值得信赖的硬件增强型云计算。

•    防范篡改的硬件安全原语和保护FPGA 提供物理不可克隆功能 (PUF) 等特定安全特性，可作为为每个电路提供唯一标识符的关键存储的替代机制。FPGA 也适用于实现创建加密密钥所需的真随机数生成器 (TRNG)。

•    加密算法的硬件实现高级加密标准 (AES) 和椭圆曲线密码算法 (ECC) 就是在硬件中执行的加密算法的例子。这些算法的加密原语（旋转、与或运算等）与 CPU 上的顺序软件执行相比，更适合于部署在 FPGA 硬件中。例如 AES 就可以分解为一套顺序执行的阶段或步骤，每个阶段内部分解为一个基本运算循环。这些循环通过使用并行执行在硬件上展开，可以以更快的速度运行。此外，步骤 可以流水线化来提高性能。这些技术优化了硬件中的加密算法的综合。

•    随时数据保密（移动中数据、使用中数据和闲置中数据）在开发安全解决方案时性能降低是一个关键性的问题。硬件解决方案相对于软件解决方案更具优势，原因是 硬件能够在基本没有开销的情况下完成低时延数据加密和解密。通过这种方法，应用通过云管理的一切信息都能够以加密方式发送、接收和存储，例如用加密文本取 代明文文本，防止其受到网络攻击。
•    硬件防火墙硬件安全模块能过滤所有通过系统通信总线的数据，加强数据抵御特定类型攻击的耐受力。
•    数字签名硬件方法还支持用户认证和可验证的认证和证书管理，从而实现可信根 (RoT)。

其他优势

行业用例说明了基于硬件的云解决方案如何支持安全、高性能和灵活性等关键属性。这包括 Google Project Vault。该项目把在硬件中综合的加密计算嵌入到微型 SD 设备中。微软的 Azure SmartNIC 基于 FPGA，用于在服务器中从 CPU 卸载软件定义的联网功能。微软的 Catapult Project 则借助 FPGA 技术加快 Bing 搜索引擎的速度。Bitfusion 的 Cloud Adaptor 项目让开发人员得以在云中使用 FPGA。FPGA 技术已经可用于证明数据中心服务器中的神经可塑性云计算概念。赛灵思 Kintex® UltraScale™ FPGA 和赛灵思 Zynq® Ultrascale+™ MPSOC 器件系列都是有效的例子。

其他有利于基于 FPGA 的云计算基础架构的因素有：

•    可扩展性   云计算通过发挥数据中心的规模经济，正在带来明显的成本节约。基于 FPGA 的云计算解决方案的扩展远远比基于 CPU 和 GPU 的解决方案容易。
•    低功耗 在数据中心环境中，与原始性能相比更重要的是性能功耗比。数据中心要求高性能，但这种高性能的功耗特性应不超越数据中心服务器的要求的限值。与市场上的其 他替代方案相比基于 FPGA 的解决方案能提供高得多的性能功耗比。很明显，最大化性能功耗比是提高数据中心可靠性和控制运营成本的必备要求。
•    环境友好性 延伸降低功耗的优势，基于 FPGA 的云计算正在兴起，成为降低计算的碳排放的必行之道。
•    冗余  通过使用 FPGA 技术管理异构硬件资源，开发人员得以综合出满足特定冗余要求的定制解决方案。

IT 服务的用户对下列要求缺一不可：移动性、连接性、对信息的即时访问、立即得到计算结果和设计安全。云计算为企业提供了把任务从他们的本地基础架构移到远程 经优化的计算集群的手段。要挖掘云的全部潜力，为今天熟悉技术的用户提供服务，需要能够发挥可扩展、定制化计算、联网和存储资源集的作用的新业务模式，从 而为所有的客户创造价值。

神经可塑性云计算在配备异构资源的精细粒度FPGA器件之上将高性能架构和受信任计算架构融为一体，能改善计算的能力、灵活性和安全性。硬件神经可塑性通过为云端已确立的连接和移动特性添加个性化、个人定制计算功能，掀起人们开展业务方式的革命。

从利益相关方正在积极采取的行为来衡量，可重配置硬件技术迅速融合到云端并不遥远。运行在数据中心服务器 CPU 上的软件代码与直接在硬件中处理的应用关键环节的结合，将实现为最终用户带来显著竞争优势的技术差异化。