add design doc for FPGA on Paddle

doc/design/baidu_fpga/README.MD

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+# Baidu FPGA on PaddlePaddle: Design Doc
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+我们计划利用百度FPGA云主机和深度学习加速库Polaris，将FPGA集成到PaddlePaddle，使其支持更多的异构硬件。
+- 百度FPGA云服务器：百度云环境中配备的FPGA计算实例，通过该实例，可以快速地构建FPGA硬件加速程序[1]。
+- Polaris：一个百度开发的基于FPGA的高性能深度学习计算库，供用户方便的调用百度FPGA实现的功能\[[2](#references)\]。
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+我们计划基于重构中的PaddlePaddle进行开发，目标是：
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+- 百度FPGA支持大部分常见的深度学习Operator。
+- 百度FPGA支持大部分常见的深度学习模型。
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+## Contents
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+- [Overview](#overview)
+- [Actions](#actions)
+ 	- [CMake](#cmake)
+	- [Layers](#layers)
+	- [Activations](#activations)
+	- [Unit Tests](#unit-tests)
+	- [Protobuf Messages](#protobuf-messages)
+	- [Python API](#python-api)
+	- [Demos](#demos)
+	- [Benchmarking](#benchmarking)
+	- [Others](#others)
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+## Overview
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+我们会把Polaris作为第三方库集成进PaddlePaddle，利用百度FPGA云服务器能够快速构建基于FPGA的PaddlePaddle应用，整体框架图如下所示：
+<div align="center">
+<img src="image/overview.png" width=350><br/>
+Figure 1. FPGA on Paddle.
+</div>
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+## Actions
+我们把集成方案大致分为了如下几个方面。
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+### CMake
+我们会在`CMakeLists.txt`中会添加`WITH_FPGA`的选项，当设置这个值为`ON`的时候会启用FPGA编译功能。我们会在`cmake/external`目录新建`polaris.cmake`文件，它们会在编译PaddlePaddle的时候下载Polaris头文件和库，并放到PaddlePaddle的third_party目录中。
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+### Place
+重构中的PaddlePaddle用Place类来标注数据在什么设备上，目前支持CPUPlace和GPUPlace。我们会在place.h中添加FPGAPlace，标注数据在FPGA设备上，并在其中添加int类型的deviceid来支持FPGA多设备。同时，我们参照CPUPlace和GPUPlace的实现，提供is_fpga_place等方法。
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+**备注**：重构中的PaddlePaddle有一些代码默认设备不是GPU就是CPU，如:
+```C++
+bool places_are_same_class(const Place &p1, const Place &p2) {
+  return is_gpu_place(p1) == is_gpu_place(p2);
+}
+```
+添加FPGAPlace后需要修改这部分代码的逻辑。
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+### Memory 
+重构中的PaddlePaddle实现了buddy memomry allocator类来负责内存的管理，目前只支持CPU和GPU的版本。我们会添加一个FPGAAllocator来负责FPGA的内存管理。
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+### DeviceContext
+重构中的PaddlePaddle实现了DeviceContext类来负责对应设备上面的资源管理，目前只支持CPU和GPU的版本。我们会添加一个FPGADeviceContext来负责管理FPGA设备的资源。
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+### Operator 
+重构中的PaddlePaddle是基于Operator的，不同设备（CPU、GPU）共享一个Op定义，OpKernel提供Compute方法\[[3](#references))\]，我们会在现有XXX_op.cc文件中添加FPGAKernel来实现FPGA的计算逻辑。对于FPGA不支持的操作，我们在compute函数中加入判断:
+```C++
+PADDLE_ENFORCE(!platform::is_fpga_place(ctx.GetPlace()),
+                   "It can not use FPGAPlace.");
+```
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+**备注**：由于FPGA不如CPU和GPU灵活，因此FPGA只能支持大部分Operator，无法支持所有的Operator。
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+### Net
+Net是包含了一系列的Operator，目前一个Net上的Operator只能运行在同一个设备上。由于FPGA不够灵活，部分Operator可能不支持FPGA，因此需要提供类似Parallel-nn的方法，即部分Operator在FPGA运行，部分Operator在CPU或GPU上运行。
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+### UnitTest 
+FPGA相关代码的单元测试会添加到对应修改的模块中。例如在添加了FPGAPlace，就需要在place_test.cc中添加FPGA的单元测试。
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+### Python API
+目前只考虑v2 API，使用FPGA时只需在设置Place时设置成FPGA，其他配置不变。
+```python
+place = core.FPGAPlace()
+```
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+## References
+1. [百度FPGA云服务器](https://cloud.baidu.com/product/fpga.html)
+2. [Baidu Polaris Project](http://fpga.baidu.com/)
+3. [如何写新的Operator](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/doc/howto/dev/new_op_cn.md#%E5%AE%9A%E4%B9%89OpKernel%E7%B1%BB)