下一個突破性創(chuàng)新數字業(yè)務模式：神經可塑性和云計算

下一個突破性創(chuàng)新數字業(yè)務模式：神經可塑性和云計算基于FPGA的基礎架構準備將神經可塑性運用到IaaS（基礎架構即服務），實現高性能、定制化、設計安全的云計算服務。神經科學家曾經認為人腦的結構是不變的，其神經元在幼年即已定型。后來研究證明人腦實際上是可塑的：為了對環(huán)境激勵做出響應并借助思維行為本身，人腦在動態(tài)地改變自己的結構、功能和神經連接，甚至通過神經再生長出新的神經元。而且這種神經可塑性會一直持續(xù)到老。這種經證明的人腦可塑性正在開啟基于靈活、強大、量身定制的云計算基礎架構即服務(IaaS)的突破性創(chuàng)新數字業(yè)務模型?；诳啥ㄖ圃频腎aaS有望通過綜合與請求的服務有關的優(yōu)化計算來實現創(chuàng)新性產品差異化，交付特定的服務質量(QoS)，為最終用戶帶來增值。這種模式要求特別關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。已經出現在可重配置硬件技術的DNA中并且現在可部署到FPGA驅動的云計算基礎架構的這些技術特性，正準備改變數字化業(yè)務的游戲規(guī)則。神經可塑性和云計算近期神經科學的最新進展已經顯示我們通過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。大腦和神經系統(tǒng)用于定位行為的神經路徑連接著大腦中相對較遠的區(qū)域，而且每一個路徑都與特定的領域或行為息息相關。新的思維和技能一旦出現，就會鋪設新的路徑。每次我們思考、感受或做什么事情的時候，我們就會通過重復練習來強化相關路徑，直至行為成為習慣。隨著神經科學深化我們對大腦的理解，云計算技術在過去十年已取得長足發(fā)展，通過互聯網為世界各地數十億用戶提供計算、聯網和存儲服務。個人、企業(yè)及其他機構正在盡情享用存儲、視頻、消息傳輸、社交網絡、線上游戲和Web搜索等云服務。云服務不止是一種IT現象；它越來越多地成為企業(yè)在發(fā)展自己的業(yè)務的同時借助不斷提升的計算能力降低成本、實現創(chuàng)新和業(yè)務轉型的動力。行業(yè)觀察家已預計未來數年IT基礎設施的主要開支將投入在云平臺和應用上。眾多研發(fā)團隊深信FPGA是云計算服務器中的應用專用加速器的未來實現技術。這就是說我們能否在發(fā)現神經可塑性和云計算爆炸式增長之間找到某種關系，可能激發(fā)新的數字業(yè)務模式？試想對人的神經系統(tǒng)的天生神經可塑性進行抽象，并將這個概念直接移植到云計算基礎架構上。通過支持FPGA和SoC器件中可用的可重配置硬件技術，突破性IaaS模式可根據任何給定時間客戶提出的特定需求來適配和優(yōu)化分布在任何云計算基礎架構的數據中心中的服務器計算機架構，從而得到的計算轉化為增值。為強化神經科學類比，我們使用“神經可塑性云”一語來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(tǒng)的物理云計算架構。通過這種生態(tài)系統(tǒng)，數據中心服務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（圖1）。

圖1-神經可塑性云架構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（往往通過今天的標準云解決方案無法實現）下履行云服務的數字業(yè)務相比明顯的競爭優(yōu)勢。能從這種方法中獲益的應用領域包括金融趨勢分析、實時醫(yī)療成像處理、生物信息學、計算生物學、基因組測序、能源/石油/天然氣分配實時控制、大數據分析和深度學習。把可重配置硬件技術引入到云計算領域的理念肇始于學術研究?？芍嘏渲糜嬎闵鐓^(qū)一段時間以來一直在探索將FPGA與通用處理器相結合的機會，而且眾多研發(fā)團隊已經確信FPGA是未來的云計算服務器中應用專用加速器的實現技術。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主導企業(yè)加上FPGA廠商正在極力倡導將FPGA用于數據中心工作負載的優(yōu)化。在這個數字服務經濟推動云計算增長的時代，云計算利益相關方逐漸認識到，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。這意味著云服務提供商會很快有新的策略，用于交付為他們的客戶的特定需求定制的計算基礎架構，并通過響應時間、網絡安全，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隨著可重配置硬件技術的部署發(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)務價值鏈中的關鍵一環(huán)來使用。三大內在屬性支撐著提議的基于可重配置硬件的神經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、加密和防范網絡安全威脅的保護）。綜合運用這些特征有望促成數字業(yè)務時代的突破性創(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。過去高性能計算的使用權局限于學術界、工程師和科學家。實際上，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域包括氣候建模、碰撞仿真和生物信息學。這些領域在性質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。隨著時間推移，對這一計算能力的需求正在超越傳統(tǒng)的超級計算中心，延伸到公有云、私有云、混合云、社區(qū)云乃至個人云中，用戶通過便攜式甚至是可穿戴嵌入式設備就能夠使用。對許多服務和應用來說，這種對計算能力不斷增長的需求意味著嚴格的響應時間要求，要求提供商使用最先進的技術更新自己的計算平臺。在實時圖像處理、視頻流和大數據分析等這些應用中，降低時延，加快得到結果都是最終用戶看重的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，先進的計算基礎架構能帶來競爭優(yōu)勢。隨著HPC進入主流，云計算通過實現對無限計算資源的共享彈性訪問，在HPC交付方面正起著關鍵作用，尤其是對已經使用集群和網格計算的工程和科學應用而言。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，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時數據的應用中。為了顯著降低時延，FPGA廠商與主要的利益相關方密切協作，通過將綜合在FPGA邏輯中的加速器連接至現有處理器，正設法實現高性能、更高能效的數據中心。據中心中的靈活計算隨著最終用戶逐漸習慣和依賴把自己的個人數據托管到云端，預計云計算將成為IT交付的默認方式。與之相關的一個趨勢是把產品轉化為服務，分解成能夠在按使用付費業(yè)務模式中重新組合以準確滿足客戶需求的單元。IaaS就是一種把云計算硬件基礎設施（服務器、存儲、網絡和操作系統(tǒng)）作為互聯網上的按需服務交付的途徑。許多企業(yè)意識到云硬件基礎設施對他們的業(yè)務不可或缺，但他們把它當作不會給自己帶來任何競爭優(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提供基本上相同的QoS。可重配置硬件技術能顛覆這樣的模式。該技術帶來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行按需優(yōu)化，從而實現明顯的差異化。配備FPGA器件的數據中心服務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用上與云基礎架構緊密掛鉤的豐富特性的關鍵，比如設計保障的專用高性能計算。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明顯優(yōu)勢。此外，通過FPGA在云端集成異構硬件資源，為無需依賴持續(xù)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的吞吐量，往往可以在FPGA資源中對其實現方案進行流水線操作。借助靈活的硬件對最終用戶應用進行精細流水線，可交付最佳性能的定制解決方案。接著，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處理器換入和換出特定資源，從而以多路復用的方式動態(tài)地按需計算所需應用算法中計算強度最大的部分。這種方法基本不會影響執(zhí)行時間，同時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，還能增強網絡安全性。

總之，定制云計算能為一定數量領域的提供商和從業(yè)者帶來重大差異化。例如，采用特定計算機架構而非標