一場由FPGA觸發(fā)的芯片戰(zhàn)爭

導(dǎo)讀：本文是作者于2019年9月在斯坦福大學(xué)進(jìn)行的三個(gè)小時(shí)討論的摘要。這篇文章結(jié)合了Zilog、Altera、Xilinx、Achronix、Intel、IBM、斯坦福、麻省理工、伯克利大學(xué)、威斯康星大學(xué)、Technion、Fairchild、貝爾實(shí)驗(yàn)室、Bigstream、谷歌、DEC、SUN、諾基亞、SRI、日立、Silicom、Maxeler技術(shù)、VMware、施樂PARC、思科等組織在FPGA領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)。這些組織不負(fù)責(zé)內(nèi)容，但可能在某種程度啟發(fā)了作者們的興趣，以使他們在FPGA領(lǐng)域經(jīng)歷了豐富多彩的旅程。

頭圖 | CSDN 下載自東方 IC FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）自誕生以來就一直在沖擊著專用集成電路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit)芯片界的神經(jīng)。在20世紀(jì)80年代中期，RossFreeman和他的同事從Zilog手中購買了這項(xiàng)技術(shù)，并著手創(chuàng)辦了針對ASIC仿真和教育市場的Xilinx。（Zilog出自?？松梨谑?a target="_blank">公司，因?yàn)樵?0世紀(jì)70年代，人們已經(jīng)開始擔(dān)心石油會在30年后枯竭，這一點(diǎn)在今天仍然適用）。同時(shí)，Altera也以類似的技術(shù)為核心成立。 FPGA是由電路編程的芯片，支持“仿真”該電路。這種仿真的運(yùn)行速度比使用ASIC實(shí)現(xiàn)的實(shí)際電路運(yùn)行速度慢--它的時(shí)鐘頻率更慢，使用更多的功率，但它可以每隔幾百毫秒重新編程一次。 制作ASIC的人們一開始先使用FPGA來仿真ASIC，然后再將它們進(jìn)行掩碼處理并批量制造。英特爾、AMD和許多其他公司在制造芯片之前都會使用FPGA來仿真芯片。

觸動電信業(yè)的神經(jīng)

電信行業(yè)一直是FPGA的主要用戶。電信標(biāo)準(zhǔn)不斷變化，建造電信設(shè)備非常困難，因此首先提供電信解決方案的公司往往會占領(lǐng)最大的市場份額。由于ASIC需要很長時(shí)間才能完成，F(xiàn)PGA提供了一個(gè)捷徑。電信設(shè)備的最初版本一般采用FPGA，但FPGA高昂的價(jià)格引發(fā)了沖突。盡管FPGA的價(jià)格對ASIC仿真市場無關(guān)緊要，但對電信行業(yè)而言，芯片的價(jià)格卻很重要。許多年前，AT＆T和朗訊制造了自己的FPGA，稱為ORCA（優(yōu)化的可重配置單元陣列），但就硅片的速度或尺寸而言，它們與Xilinx或Altera相比不具有競爭力。如今，華為已成為FPGA的最大客戶。華為兩年前即提供了世界上最早的5G電信設(shè)備解決方案，相較于其他供應(yīng)商處于明顯優(yōu)勢，但中美之間最近的緊張關(guān)系很可能會導(dǎo)致產(chǎn)于美國的FPGA影響華為提供5G電信設(shè)備。

FPGA價(jià)格觸及神經(jīng)

早期，F(xiàn)PGA被用于SDR（軟件定義的無線電）——在同一時(shí)間建立多個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)的無線電通信，本質(zhì)上是一部講多種語言的單一電話。這一次，F(xiàn)PGA挑動了一個(gè)巨大的神經(jīng)。 SDR技術(shù)的實(shí)施方式存在分歧。商業(yè)供應(yīng)商開發(fā)了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，如今地球上的每個(gè)基站都有SDR技術(shù)。另一方面，在國防界，SDR是由大型國防承包商建造的，他們用有利可圖的傳統(tǒng)產(chǎn)品線來建造。其結(jié)果是基于FPGA的無線電產(chǎn)品價(jià)格非常高，以至于美國部分國防市場對使用FPGA產(chǎn)生了持續(xù)的過敏反應(yīng)。 接下來，F(xiàn)PGA試圖在DSP（數(shù)字信號處理器）和嵌入式市場中發(fā)展。在角落里有一些微處理器的FPGA開始出現(xiàn)。銷售這些新型FPGA的壓力太大，以至于如果客戶拒絕新的芯片系列，它們將被列入黑名單，有時(shí)甚至?xí)芙^提供服務(wù)好幾個(gè)月。鑒于FPGA產(chǎn)品具有巨大的覆蓋率和知識產(chǎn)權(quán)層而無法降低其價(jià)格，因此，發(fā)展FPGA市場的壓力一直是巨大的，F(xiàn)PGA公司征服新市場失敗的規(guī)模也是如此。

觸動HPC和數(shù)據(jù)中心的神經(jīng)

在過去的幾年里，F(xiàn)PGA一直試圖在HPC（高性能計(jì)算）和數(shù)據(jù)中心市場發(fā)展。2017年，微軟宣布在數(shù)據(jù)中心使用Altera FPGA，而英特爾則收購了Altera。2018年Xilinx公司宣布其“數(shù)據(jù)中心優(yōu)先”戰(zhàn)略，Xilinx首席執(zhí)行官在眾多分析師面前宣布Xilinx不再是一家FPGA公司了。這可能是一種輕微的戲劇化表現(xiàn)，但從歷史上看是有關(guān)聯(lián)的。 在高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心使用FPGA時(shí)，目前的主要障礙是布局和布線——運(yùn)行專有FPGA供應(yīng)商軟件將電路映射到FPGA元件所花費(fèi)的時(shí)間，在大型FPGA和高速CPU服務(wù)器上，布局和布線需要長達(dá)三天，而且很多時(shí)候即使在使用三天后，很多軟件仍無法解決映射問題。

觸動石油和天然氣的神經(jīng)

在石油和天然氣實(shí)施領(lǐng)域中，2007年左右出現(xiàn)了一個(gè)利基市場。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬地球上的鉆孔以發(fā)現(xiàn)石油所花費(fèi)的時(shí)間比實(shí)際建造的鉆井場地和鉆井本身還要長，F(xiàn)PGA加速器的使用極大地改變了這種顛倒時(shí)序。石油公司數(shù)據(jù)中心中的第一個(gè)FPGA，用于計(jì)算地震圖像，由MaxelerTechnologies制造，并交付給Chevron。 幾年來，F(xiàn)PGA在石油和天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，直到來自ASIC行業(yè)的壓力導(dǎo)致CPU技術(shù)回歸標(biāo)準(zhǔn)化。如今，石油和天然氣中的預(yù)測和模擬仍然很重要，地震成像大多在CPU和GPU上完成，但FPGA的機(jī)會仍然存在。我們需要注意的是，“今天的新事物是明天的遺產(chǎn)”，當(dāng)然，如今的新事物是對AI和數(shù)據(jù)的關(guān)注。 盡管如此，F(xiàn)PGA仍然是一種快速進(jìn)入市場的方式，是獲得競爭優(yōu)勢的簡單方法以及在許多關(guān)鍵任務(wù)情況下必不可少的技術(shù)——盡管與ASIC相比，芯片價(jià)格昂貴。然而，在與CPU或GPU上運(yùn)行軟件相比，在HPC和數(shù)據(jù)中心中，F(xiàn)PGA的運(yùn)營成本大大降低。與CPU和GPU相比，所需的FPGA更少，所需的冷卻也更少。FPGA使得數(shù)據(jù)中心規(guī)模更小，這觸及了運(yùn)營商擔(dān)心數(shù)據(jù)中心可能會縮小的神經(jīng)。

ASIC與FPGA

使用FPGA的另一種方法是增強(qiáng)ASIC。構(gòu)建ASIC的目的是保持固定功能，同時(shí)添加FPGA，為產(chǎn)品的最新更改或適應(yīng)不同市場提供一定的靈活性。 現(xiàn)代FPGA集成了越來越多的硬功能，變得越來越像ASIC，而ASIC有時(shí)會在其設(shè)計(jì)中添加一些FPGA結(jié)構(gòu)，用于調(diào)試、測試、現(xiàn)場修復(fù)以及根據(jù)需要靈活地添加少量功能。 盡管如此，ASIC團(tuán)隊(duì)一直在與FPGA概念抗?fàn)帯SIC設(shè)計(jì)師問：“您想要什么功能？”如果回答是“我還不知道”，他們會很不耐煩。 無人駕駛汽車行業(yè)就是這樣一個(gè)新的戰(zhàn)場。由于算法不斷變化，并且法律法規(guī)可能會在汽車進(jìn)入市場時(shí)發(fā)生變化，需要駕駛員更新，因此解決方案需要靈活。FPGA的時(shí)鐘頻率較低，散熱片較小，因此物理尺寸比CPU和GPU小。更低的功耗和更小的尺寸使FPGA成為顯而易見的選擇。盡管如此，GPU易于編程，并且不需要三天時(shí)間來實(shí)現(xiàn)布局和路線，因此對FPGA形成了一定挑戰(zhàn)。 此外，至關(guān)重要的是能夠在汽車和云中運(yùn)行相同的代碼（主要用于模擬和測試），因此FPGA必須先在云中使用，然后才能在汽車中使用。由于這些原因，許多開發(fā)人員更喜歡GPU。

FPGA的發(fā)展

FPGA在不斷發(fā)展。現(xiàn)代接口正試圖使FPGA更易于編程，更加模塊化，并與其它技術(shù)更加協(xié)作。FPGA支持AXI（高級可擴(kuò)展接口）總線，這使它們更易于編程，但也帶來了極大的效率低下，使得FPGA的性能降低，最終競爭力大大降低。學(xué)術(shù)工作方面，例如Eric Chung的關(guān)于“FPGA動態(tài)網(wǎng)絡(luò)”的論文有助于解決路由問題，但這種先進(jìn)的思想尚未被業(yè)界所接受。 FPGA如何實(shí)現(xiàn)連接？對于具有大量數(shù)據(jù)流的HPC工作負(fù)載，可以使用PCI Express并部署通信隱藏技術(shù)。但是，像NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）這樣的小型工作負(fù)載如何能同時(shí)為大量用戶提供服務(wù)呢。通常，對于NFV和虛擬機(jī)加速而言，F(xiàn)PGA必須直接連接到CPU，并可能使用緩存一致性作為一種通信機(jī)制，這是VMware最近研究的結(jié)果。當(dāng)然，關(guān)鍵的功能是具備FPGA崩潰時(shí)CPU不崩潰的能力，反之亦然。超標(biāo)量技術(shù)公司正在重新發(fā)現(xiàn)IBM大型機(jī)的時(shí)代需求，從而將越來越多的復(fù)雜性帶入標(biāo)準(zhǔn)化平臺。 其它組織也有機(jī)會。在提供FPGA平臺時(shí)，組織無需進(jìn)行ASIC開發(fā)的預(yù)算，也無需了解最新的硅制造挑戰(zhàn)和解決方案，便可以開發(fā)電路，并在其產(chǎn)品中建立競爭優(yōu)勢，例如物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)邊緣的新興計(jì)算機(jī)會，靠近傳感器、顯示器、或在數(shù)據(jù)流過時(shí)直接在線計(jì)算。 同時(shí)，F(xiàn)PGA公司正在垂直向上推堆棧，并將其推入CPU插槽，英特爾在該市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，其中包括針對NFV的特殊指令。數(shù)據(jù)中心中新CPU和FPGA進(jìn)入的主要障礙不僅在于速度和成本，還在于所有可能的I/O設(shè)備的軟件和驅(qū)動程序的可用性。 使FPGA在數(shù)據(jù)中心中工作的關(guān)鍵是使其易于使用——例如，使用自動工具來驅(qū)動FPGA的使用而不會產(chǎn)生布局和布線困難。微軟率先在超標(biāo)量數(shù)據(jù)中心中使用FPGA來加速Bing、NFV和AI算法。Microsoft還構(gòu)建了抽象，特定于領(lǐng)域的語言和靈活的硬件基礎(chǔ)設(shè)施。在商業(yè)上，F(xiàn)PGA的主要問題是上市策略。構(gòu)建新芯片然后開始考慮該軟件可能為時(shí)已晚。如何通過調(diào)整硬件來適配軟件以及從現(xiàn)有軟件中獲取價(jià)值？這也帶來了重新思考FPGA架構(gòu)的機(jī)會。但是，值得警告的是：硅產(chǎn)業(yè)正在吞噬現(xiàn)金。構(gòu)建ASIC是一種撲克游戲，多年來賭注不斷增加。這是一場贏家通吃的比賽，F(xiàn)PGA之類的威脅在比賽初期就被淘汰。FPGA正在為硅產(chǎn)業(yè)帶來額外的突增風(fēng)險(xiǎn)。

利基技術(shù)

軟件設(shè)計(jì)師總是會說，“如果它能在軟件中實(shí)現(xiàn)，它就會在軟件中實(shí)現(xiàn)”，而ASIC設(shè)計(jì)師會說，“如果它能在ASIC中實(shí)現(xiàn)，它就會在ASIC中完成?！弊钣腥さ氖牵叭绻梢杂密浖瓿?，那么你就不必和那些像FPGA一樣思考的人打交道。”與制造ASIC所需的龐大“軍隊(duì)”以及世界范圍內(nèi)的軟件程序員的數(shù)量相比，F(xiàn)PGA擁有一個(gè)很小的社區(qū)，其中包含許多有時(shí)表現(xiàn)古怪的程序員。FPGA公司規(guī)模較小。FPGA社區(qū)也較小。 英特爾正在推動FPGA的靈活性。它遵循構(gòu)建硬件以運(yùn)行現(xiàn)有軟件的原則，并成為這一領(lǐng)域最成功的公司。FPGA可以比CPU和GPU更快，但是行業(yè)和投資界的艱難教訓(xùn)是，在計(jì)算機(jī)存在的大部分時(shí)間里，速度無關(guān)緊要，而實(shí)時(shí)性也無關(guān)緊要。因此，很少有僅為了速度而購買計(jì)算機(jī)。確實(shí)有這種情況，但這更多是隨機(jī)事件，而不是一個(gè)建立業(yè)務(wù)的市場。另外，F(xiàn)PGA沒有標(biāo)準(zhǔn)、開源、友好的編程模型——因此，對于在所有FPGA芯片上均可工作或易于交叉編譯的FPGA程序，也沒有標(biāo)準(zhǔn)的市場。Maxeler Technologies可以提供此類接口作為一種高級解決方案，但廣泛的行業(yè)采用需要信任。為了從早期采用者發(fā)展到讓所有人受益，信任需要數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域中既有供應(yīng)商的協(xié)調(diào)和支持。 現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用程序人員說：“我不在乎它是什么，只是給我一種方法去做我想做的事情就行了。”尚未廣泛探索的FPGA可能有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？對于實(shí)時(shí)計(jì)算、制造業(yè)、無人機(jī)的計(jì)算機(jī)視覺，這是FPGA的重量和功耗優(yōu)勢能展現(xiàn)的地方。在衛(wèi)星上進(jìn)行硬件升級是非常昂貴的，因此FPGA提供了至關(guān)重要的長期靈活性。FPGA需要找到一種能產(chǎn)生共鳴的產(chǎn)品，并且它們必須易于編程，不只是硬件或軟件，還包括生態(tài)系統(tǒng)。這是完整的解決方案。 超越當(dāng)前市場限制的一種方法是實(shí)時(shí)編譯和自動FPGA程序生成。這說起來容易做起來難，但隨著AI破壞了應(yīng)用程序空間，機(jī)會越來越多。如今，一切都由AI完成。甚至諸如石油和天然氣地震成像之類的傳統(tǒng)算法也都采用了AI。我們需要用科學(xué)和工程解決方案來處理AI。FPGA可能是一個(gè)很好的起點(diǎn)，可能最初是連接AI模塊，然后將它們整合到FPGA架構(gòu)中，例如Xilinx的下一代芯片——帶有AI架構(gòu)、CPU、100G接口和FPGA單元都集成在同一個(gè)7納米芯片中。從另一個(gè)角度來看，隨著AI芯片產(chǎn)生并消耗大量數(shù)據(jù)，我們將需要FPGA來滿足需求并能迅速轉(zhuǎn)移輸出。隨著用于所有AI處理的新型ASIC的面世，F(xiàn)PGA可以為AI芯片公司提供差異化服務(wù)。

預(yù)測

我們是否可以提前10或25年預(yù)測下述發(fā)展？盡管世界在變化，但預(yù)測似乎保持不變。1.將會有成功的CPU+ FPGA服務(wù)器芯片，或直接訪問CPU緩存層次結(jié)構(gòu)的FPGA。有人說會有，有人說不會有。2. SoC（片上系統(tǒng)）FPGA芯片將不斷發(fā)展壯大，推動醫(yī)療、下一代電信和汽車行業(yè)等。3.開發(fā)人員將使用FPGA做一些令人驚奇的事情，讓世界變得更美好，但必須掩蓋內(nèi)部存在FPGA的事實(shí)。4.將保留FPGA的名字，并制造被稱為FPGA的芯片，但內(nèi)部的一切將完全不同。5.當(dāng)我們放棄（數(shù)據(jù)流）優(yōu)化以使FPGA易于編程時(shí)，F(xiàn)PGA的性能將降低，因此它們將不再與CPU競爭，而CPU總是更易于編程。6.將有具有動態(tài)路由、演進(jìn)互動以及運(yùn)行時(shí)靈活的數(shù)據(jù)移動的FPGA。7.放置和布線軟件以及FPGA頂部的完整軟件堆棧將是開源的。Yosys和Lattice FPGA已經(jīng)開始努力。8.所有半導(dǎo)體架構(gòu)都將與TPU、GPU、CPU、ASIC和FPGA組合成單個(gè)芯片。一些可能是每個(gè)整體的組合，其它將是每個(gè)部分的組合。9.更多的芯片將集中在有限的應(yīng)用空間上，而更少的集中在通用芯片上。從某種意義上說，一切都變成了SoC。

評論

本文解決了多少個(gè)沖突，并創(chuàng)造了多少個(gè)新沖突？從這個(gè)意義上講，沖突是對現(xiàn)有工作方式的挑戰(zhàn)。這種現(xiàn)有的做事方式可能會影響人們的思維方式，從而影響他們的行為方式。但也許更重要的是，這將影響開發(fā)者的謀生方式。