FPGA如何成為新時(shí)代的“寵”兒,FPGA技術(shù)未來(lái)將會(huì)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷

高性能運(yùn)算的需求逐漸高漲

隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷升級(jí)，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理的要求越來(lái)越大。據(jù)麥肯錫的Nicolaus Henke估計(jì)，如今90%的可訪問(wèn)數(shù)據(jù)兩年前還不存在，而IDC預(yù)測(cè)，到2020年，全球大數(shù)據(jù)投資將超過(guò)2030億美元，所有這一切都對(duì)下一代計(jì)算芯片提出了指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的要求。

英特爾一直以來(lái)主導(dǎo)的摩爾定律逐漸很難再持續(xù)，因?yàn)镈ennard Scaling規(guī)律（單位面積晶體管數(shù)不斷增加而功耗保持不變）逐漸失靈了，晶體管體積的縮小并沒(méi)有帶來(lái)速度的指數(shù)增長(zhǎng)。所以，未來(lái)CPU和GPU已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)滿足新領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理的要求，人們不斷探索新的領(lǐng)域來(lái)滿足逐漸增加的數(shù)據(jù)處理的需求。

FPGA如何成為新時(shí)代的“寵”兒

最初FPGA是用來(lái)做純邏輯設(shè)計(jì)的，一開始用來(lái)替換簡(jiǎn)單的數(shù)字電路，由于其設(shè)計(jì)的靈活性，逐漸可以做接口通信。

后來(lái)隨著通信行業(yè)的蓬勃發(fā)展，F(xiàn)PGA由于其并行執(zhí)行特性，收到了通信行業(yè)的青睞，逐漸成為信號(hào)處理的寵兒，其并行執(zhí)行特性和靈活升級(jí)的優(yōu)勢(shì)，將ASIC和DSP都競(jìng)爭(zhēng)下去了。

再后來(lái)，軟件工程師也對(duì)這個(gè)一直以來(lái)處于硬件陣營(yíng)的家伙感興趣了，所以Xilinx為了進(jìn)一步蠶食CPU的市場(chǎng)，打起來(lái)軟件工程師的注意，也就是目前流行的HLS,軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)等新概念。

隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)對(duì)運(yùn)算要求越來(lái)越高，人們逐漸認(rèn)識(shí)到并行處理、低延時(shí)、低功耗和可重配置的重要性，F(xiàn)PGA本身是一張白紙，藍(lán)圖全靠工程師來(lái)設(shè)計(jì)，也正是因?yàn)檫@種無(wú)限制，才造就了其功能的無(wú)限強(qiáng)大。所以，新時(shí)代下，F(xiàn)PGA逐漸成為高性能運(yùn)算的“寵兒”。

FPGA在高性能運(yùn)算中的真正優(yōu)勢(shì)

FPGA相比于CPU，最大的優(yōu)點(diǎn)在于速度，簡(jiǎn)單來(lái)講，F(xiàn)PGA是靠控制每個(gè)時(shí)鐘（Cycle）來(lái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與寄存器傳輸?shù)?，也就是說(shuō)可以通過(guò)時(shí)鐘來(lái)精確控制任務(wù)。而且，F(xiàn)PGA是并行執(zhí)行的，每個(gè)Cycle可以同時(shí)執(zhí)行上百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)流任務(wù)，所以，和CPU相比，F(xiàn)PGA是通過(guò)較慢的時(shí)鐘頻率，同時(shí)并行執(zhí)行數(shù)據(jù)流，而CPU雖然主頻高，但是并行執(zhí)行能力差，綜合起來(lái)對(duì)于同樣的代碼，應(yīng)用程序在FPGA上的運(yùn)行速度可能比在傳統(tǒng)CPU上運(yùn)行要快100倍。如圖所示。

FPGA中包含上千萬(wàn)的可編程邏輯資源，具有并行性和并發(fā)性的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，工程師可以利用這種并行體系結(jié)構(gòu)，將設(shè)計(jì)分解為結(jié)構(gòu)良好的數(shù)據(jù)執(zhí)行流。

例如，一幀圖像，如果按照傳統(tǒng)處理方式，可以按像素來(lái)處理整個(gè)圖像。但是當(dāng)并行處理時(shí)，它被分解成不同的碎片，由不同的進(jìn)程同時(shí)進(jìn)行處理，然后再拼湊回一起。過(guò)程雖然變復(fù)雜了，但是速度快了許多，要求輸入數(shù)據(jù)必須以最優(yōu)的方式分解，并有效地分配給每個(gè)進(jìn)程，然后將處理后的數(shù)據(jù)收集并重新組裝，從而大大提高了效率。

在一個(gè)普通的CPU中，這一過(guò)程涉及到數(shù)據(jù)從內(nèi)存中存入和取出，以及使進(jìn)程對(duì)當(dāng)前內(nèi)存狀態(tài)保持一致的復(fù)雜協(xié)議。即使是最大的英特爾CPU也只有18個(gè)內(nèi)核。相比之下，在FPGA中，數(shù)據(jù)流可以被設(shè)計(jì)，因此它永遠(yuǎn)不會(huì)離開芯片。數(shù)以萬(wàn)計(jì)的并發(fā)進(jìn)程可以同時(shí)存在，并且處理的時(shí)間得到了優(yōu)化，因此吞吐量始終是最大的。

通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)還有給優(yōu)勢(shì)就是成本。使用FPGA可以節(jié)省大量成本，因?yàn)樘岣咚俣鹊耐瑫r(shí)減少了硬件需求，一個(gè)FPGA可以執(zhí)行許多服務(wù)器的任務(wù)。

最后，F(xiàn)PGA具有強(qiáng)大的新一代互聯(lián)互通和增強(qiáng)的靈活性，可以利用最新的技術(shù)發(fā)展在器件上重新編程。一旦啟動(dòng)并運(yùn)行，F(xiàn)PGA就可以隨時(shí)改變以滿足不斷變化的業(yè)務(wù)需求。

FPGA技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

FPGA技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)就是其使用的復(fù)雜性，F(xiàn)PGA的編程一直以來(lái)定位于硬件描述編程，也就是電路設(shè)計(jì)，而不是簡(jiǎn)單的編程。

需要硬件工程師能夠用復(fù)雜、底層的硬件定義語(yǔ)言如Verilog、VHDL進(jìn)行編程。

硬件工程是一門高度專業(yè)化的技能，需要多年的經(jīng)驗(yàn)才能將知識(shí)付諸實(shí)踐，硬件配置所需的專業(yè)芯片設(shè)計(jì)技能使FPGA成本一直很高，這也意味著創(chuàng)新是有限。

所以，一直以來(lái)FPGA技術(shù)作為一種高門檻的設(shè)計(jì)技術(shù)，只有有實(shí)力的大型公司才有實(shí)力采用FPGA來(lái)設(shè)計(jì)，只有一些能夠創(chuàng)造高額利潤(rùn)的行業(yè)才會(huì)采用FPGA技術(shù)，如軍品、通信、視頻等領(lǐng)域。

FPGA技術(shù)未來(lái)將會(huì)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷

雖然FPGA在應(yīng)用方面門檻較高，但最近人們正在穩(wěn)步打破這種障礙。例如亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)集成FPGA 的F1實(shí)例，旨在構(gòu)建定制的加速器處理計(jì)算密集型問(wèn)題，外界對(duì)其發(fā)布產(chǎn)生了格外積極的響應(yīng)。

FPGA廠商和平臺(tái)提供商也可以使用不同語(yǔ)言進(jìn)行編程，如OpenCL，并且FPGA的發(fā)展逐漸讓軟件工程師越來(lái)越容易在內(nèi)嵌的基于云的環(huán)境下對(duì)FPGA進(jìn)行編程。這可以使用更方便的語(yǔ)言，如GO，它對(duì)于來(lái)自不同背景和語(yǔ)言的用戶來(lái)說(shuō)更容易，更高效。微軟已經(jīng)表示，未來(lái)它的Azure云服務(wù)也將讓開發(fā)者能夠使用FPGA。

過(guò)去，F(xiàn)PGA只用來(lái)處理大量的數(shù)據(jù)，但價(jià)值回報(bào)已經(jīng)足夠高，足以證明投資的深度，或者用于非常復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，例如軍事或金融部門的問(wèn)題。但隨著FPGA變得越來(lái)越容易訪問(wèn)，該技術(shù)適用于任何速度和成本都很重要的項(xiàng)目。

通過(guò)FPGA進(jìn)行的并行計(jì)算通過(guò)在單個(gè)服務(wù)器上同時(shí)運(yùn)行大量計(jì)算過(guò)程，加快了對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理和分析工作，意味著FPGA可用于圖像和視頻處理、在線語(yǔ)音識(shí)別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、廣告技術(shù)以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）。

云FPGA正被用于許多研究方向。安全部門正在用它研究加密算法加速，電信公司用它研究網(wǎng)絡(luò)和安全，航空公司用它處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)和應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，金融服務(wù)用它進(jìn)行硬件加速和確定衍生產(chǎn)品組合的信用風(fēng)險(xiǎn)。

雖然這些使用案例令人興奮，但它們僅僅是FPGA能力的冰山一角，發(fā)掘這項(xiàng)技術(shù)的全部潛力還需要時(shí)間。雖然在硬件世界中新產(chǎn)品層出不窮，但這些產(chǎn)品的創(chuàng)新往往是漸進(jìn)式的。但是，隨著平臺(tái)的出現(xiàn)，并行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新在硬件開發(fā)中成為可能，對(duì)所有企業(yè)，無(wú)論大或小，F(xiàn)PGA的使用將變得越來(lái)越便宜和現(xiàn)實(shí)，也會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

業(yè)界對(duì)它的使用仍然停留在起步階段，但隨著使用量的增加，F(xiàn)PGA將讓每個(gè)企業(yè)，無(wú)論是單人初創(chuàng)企業(yè)還是已經(jīng)成立的跨國(guó)企業(yè)，都可以利用高性能并行計(jì)算來(lái)持續(xù)推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。