為什么英特爾要將至強CPU與FPGA加以結(jié)合？

近日，英特爾公司悄然發(fā)布了一項面向其芯片產(chǎn)品線的大規(guī)模升級方案：芯片巨頭將在近期推出一款將CPU與FPGA加以集成的新型至強處理器。這款至強+FPGA的新組合將接入標(biāo)準(zhǔn)E5 LGA2011插槽，而集成于其中的FPGA將允許每塊芯片以定制化方式處理特定工作負(fù)載。這一舉措顯然是希望能夠讓英特爾x86架構(gòu)成為一套更加出色的廣泛計算平臺，從而應(yīng)對各企業(yè)與數(shù)據(jù)中心內(nèi)多種工作負(fù)載的具體需求，同時拉攏那些原本希望從英偉達等廠商手中購買GPGPU加速方案的客戶。

這款至強+FPGA的新方案也給帶來了新的爭論，即英特爾公司是否會考慮將FPGA引入其消費級酷睿芯片產(chǎn)品線——表面上看可能性不大，但必須承認(rèn)下一代游戲與應(yīng)用程序?qū)⒃贔PGA對核心處理進行提速后實現(xiàn)更理想的運行效果。我們將在文章結(jié)尾對此進行討論。

FPGA究竟是什么？

首先讓我們聊聊現(xiàn)場可編程門陣列（簡稱FPGA）。顧名思義，F(xiàn)PGA在本質(zhì)上相當(dāng)于一塊能夠在制造完成之后進行多次重新編程的空白芯片。除了極少數(shù)例外情況，我們計算機設(shè)備當(dāng)中所使用的每一塊芯片幾乎都采取硬編碼機制（即在制造時即完成編碼），從而執(zhí)行單一功能集。我們的CPU只能夠完成英特爾或者AMD為其制定的設(shè)計處理目標(biāo)。大家無法將自己的CPU轉(zhuǎn)化為GPU。但在FPGA方面，我們能夠?qū)ζ溥M行編碼以執(zhí)行特定功能集（例如圖形處理），而后再重新編程以處理其它類型的工作負(fù)載（例如某些數(shù)據(jù)庫操作任務(wù)）。

FPGA的主要優(yōu)勢除了這種可定制性之外，還體現(xiàn)在其卓越的性能表現(xiàn)方面。雖然ASIC是目前為止針對特定工作負(fù)載時速度最快且執(zhí)行效率最高的處理方案（因此我們常用它來進行比特幣挖掘），但FPGA在速度與執(zhí)行效率方面同樣相當(dāng)出色。盡管尚無法在這兩方面與ASIC相比肩，不過在犧牲部分速度表現(xiàn)的同時大家也能夠獲得可重復(fù)編程這一獨特能力（再次強調(diào)，ASIC在制造時即設(shè)定了所能處理的負(fù)載類型）。

為什么英特爾要將至強CPU與FPGA加以結(jié)合？

在過去幾年當(dāng)中，開始有越來越多的處理任務(wù)由本地轉(zhuǎn)向云環(huán)境之下，而英特爾公司在服務(wù)器市場上的霸主地位也因此受到多方面沖擊。至強芯片確實是一款出色的綜合性處理方案，但在部分情況下，我們需要利用其它更具針對性的芯片來處理某些特定工作負(fù)載。正是因為如此，人們才開始在Web服務(wù)器上考慮使用價格更親民且功耗更低的芯片（其根本不需要價格昂貴而發(fā)熱量驚人的至強芯片），而GPGPU加速方案則能夠?qū)崿F(xiàn)強大的并行處理效果（因此在超級計算機當(dāng)中占據(jù)著一席之地）。對于這些特定工作負(fù)載，英特爾公司陸續(xù)推出了輕量級凌動處理器、面向超級計算機的50核心至強Phi協(xié)處理器以及如今的至強+FPGA（目前其似乎尚未獲得正式名稱）。

英特爾公司還指出，其單在去年一年就已經(jīng)推出了“15款定制化產(chǎn)品”以滿足Facebook以及Ebay等大型客戶的實際需要（可能就是以至強為基礎(chǔ)對緩存大小以及計算核心數(shù)量進行微調(diào)），而今年年內(nèi)其還將推出超過30款定制化設(shè)計方案。

那么此次公布的新型至強+FPGA產(chǎn)品的目標(biāo)何在？根據(jù)英特爾方面的說法：“FPGA能夠為我們的客戶提供可編程且性能出色的加速能力，從而顯著提升其關(guān)鍵性算法的執(zhí)行效率?！庇⑻貭柟绢A(yù)計至強+FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)高達20倍的性能提升效果（當(dāng)然，只限于那些在FPGA之上執(zhí)行而非依賴傳統(tǒng)x86 CPU的代碼——不過很明顯，由于瓶頸的消除其整體速度提升也將相當(dāng)可觀）。而另一大優(yōu)勢則在于工作負(fù)載變更——如果大家對自身的關(guān)鍵性算法進行了調(diào)整，或者整個企業(yè)的業(yè)務(wù)核心發(fā)生了轉(zhuǎn)移，那么FPGA仍然能夠切實起效、確保我們無需為此而購置新的硬件平臺。

就目前的技術(shù)指標(biāo)而言，我們只能給出有限的猜測性結(jié)論。Altera公司很可能負(fù)責(zé)相關(guān)FPGA芯片的制造工作，其與英特爾一直保持著密切的合作關(guān)系（其還是首批獲準(zhǔn)使用英特爾公司嚴(yán)密保護下的芯片代工設(shè)施的廠商之一）。FPGA一般擁有龐大的體積（這是使用可編程門所承受的必要之痛），而LGA2011至強E5芯片封裝基板上顯然沒有太多閑置空間，因此我們猜測雙方會想辦法努力壓縮FPGA的體積。另外，如果FPGA能夠利用至強的自身緩存，及其它部分低級資源，那么可能會在一定程度上提升空間利用效率。（英特爾方面指出，至強與FPGA之間存在一個‘低延遲一致性接口’，但并沒有具體加以解釋。）

芯片巨頭并沒有給出這款產(chǎn)品的具體價格或者上市時間——不過很明顯，其絕不是款便宜的產(chǎn)品（目前頂級至強處理器仍然要價數(shù)千美元）。英特爾公司希望這套至強+FPGA方案能夠讓企業(yè)客戶意識到x86架構(gòu)仍然大有可為，從而阻止他們轉(zhuǎn)移至競爭對手的架構(gòu)方案當(dāng)中（例如英偉達打造的Tesla GPGPU）。畢竟從實現(xiàn)難度方面看，對一小部分關(guān)鍵性代碼進行重寫以將其運行在FPGA之上，要遠比利用OpenCL重寫整款應(yīng)用程序簡單得多。

最后讓我們再做點思維拓展：如果這次小小的至強+FPGS實驗性嘗試獲得了成功，那么我們何時才會見到酷睿+FPGA芯片的面世呢？抑或是GPU+FPGA產(chǎn)品？想象一下，如果我們可以將游戲引擎的核心部分交由FPGA負(fù)責(zé)打理——例如物理引擎或者敵人AI，或者是將PC設(shè)備操作系統(tǒng)的核心部分由FPGA運算，簡直想想就讓人激動。