FPGA+OpenCL雙劍合璧助力Altera進(jìn)軍數據中心

半導體行業(yè)的趨勢是什么?在當前科技日新月異、需求層出不窮的背景下，芯片廠(chǎng)商如何找準自己的定位以不被時(shí)代淘汰?近日，EEWORLD記者有幸借助在硅谷舉辦的euroasia PRESS 拜訪(fǎng)Altera公司總部，并從Altera公司總裁、CEO兼董事會(huì )主席John Daane先生以及Altera高級副總裁Jeff Waters先生那里得到了他們的答案。

圖1 Altera公司總裁、CEO兼董事會(huì )主席John Daane先生

迎合半導體發(fā)展趨勢，Altera蓄勢待發(fā)

Daane已經(jīng)在A(yíng)ltera擔任CEO一職近14年，而這幾乎是Altera公司31年歷史的一半，也見(jiàn)證了Altera從CPLD到FPGA再到SoC的華麗轉身。Daane回憶說(shuō)：“在2003年11月的一個(gè)國際會(huì )議上我就說(shuō)過(guò)，行業(yè)在改變，為了應對持續增加的設計成本，具有可編程功能的設備將更具競爭優(yōu)勢，那時(shí)有人當面質(zhì)疑我的觀(guān)點(diǎn)。11年過(guò)去了，時(shí)間證明‘可編程’的趨勢已經(jīng)發(fā)生，并且還將繼續在更多領(lǐng)域發(fā)酵，并最終替代ASSP和ASIC。”

除了可編程性之外，Daane還總結了半導體行業(yè)的4大趨勢：持續增加的研發(fā)成本、更大的差異化、無(wú)限的帶寬以及嚴格的系統功率要求。

Daane舉例說(shuō)：“我投資1.3億美元去研發(fā)一個(gè)28 nm的芯片，投入包括EDA工具和工作站等。如果你將公司營(yíng)收額的20%進(jìn)行研發(fā)，你可能得到5倍的回報。近幾年，Altera研發(fā)投入都保持每年增長(cháng)30%。2013年，Altera的營(yíng)收額達17.32億美元，研發(fā)投入就高達3.85億美元。鑒于經(jīng)濟逐漸向好，Altera在2014年表現搶眼，其中基礎設施建設起了很大的推動(dòng)作用，而最大的刺激來(lái)自無(wú)線(xiàn)和工業(yè)。2014年第二季度的營(yíng)收比2013年同期增長(cháng)了約7億美元，我們也相應增加了研發(fā)投入，預計今年會(huì )花費4.3億美元用于研發(fā)，包括OpenCL、Quartus II軟件、各種IP以及芯片本身。”結果也證明多年的鋪墊、耕耘以及巨額的研發(fā)投入已經(jīng)讓Altera變得更強。目前Altera分布在20個(gè)國家，有3000名員工，憑借17.3億美元的收入成為全球可編程半導體業(yè)的領(lǐng)導者，毛利率高達70%，是行業(yè)增長(cháng)最快的。其也曾被福布斯評為全球100家最具創(chuàng )新力企業(yè)之一，被SiliconVally.com評為硅谷50強企業(yè)。

針對差異化，Daane表示：“我們和競爭對手涉及的領(lǐng)域其實(shí)有一些是沒(méi)有太大增幅的。如果你回顧一下，一些產(chǎn)業(yè)在2010年才增長(cháng)2%甚至更少，例如電信行業(yè)，基本上都沒(méi)有增長(cháng)。目前我們的很多競爭者都在高端技術(shù)上較量，而當你與競爭對手產(chǎn)品相似時(shí)，只有以低價(jià)來(lái)進(jìn)行競爭，但這是不明智的，也是很多廠(chǎng)商不愿意做的，像是殺雞取卵。因此現在大家都選擇差異化競爭，而且要迅速地實(shí)現差異化，但是差異化競爭確實(shí)很激烈和殘酷。如果你花2~3年的時(shí)間才完成一個(gè)硬件系統，你的競爭者很容易就趕上甚至超越你，如果你的設備都是可編程的，做差異化只需要通過(guò)軟件編程改變FPGA軟件包來(lái)更新系統，這樣就可以領(lǐng)先于競爭者。”

“對帶寬的要求給設備廠(chǎng)商很大的壓力，因為是在不增加成本的基礎上提高帶寬。此外，系統功率要求也越來(lái)越高。在固定大小的設備中，人們不斷增加新的功能，而總功耗不變，這就必須要減小器件功耗。”Daane說(shuō)。

據統計，數據中心功率和散熱成本每年高達300億美元，是購買(mǎi)服務(wù)器的4~5倍。因此云服務(wù)公司開(kāi)始把目光轉向FPGA以期降低高昂的電費等使用成本，這就給Altera很大的機遇和挑戰。

FPGA結合了軟件編程和硬件加速，既有DSP這類(lèi)通用處理器的高靈活性，又有ASIC、ASSP類(lèi)專(zhuān)用集成電路的高效率，并實(shí)現了高性能和低功耗，這也是FPGA自問(wèn)世就備受推崇的重要原因。Daane強調：“有一點(diǎn)很重要，不是所有的功能都能夠用一個(gè)器件或者一種架構實(shí)現，而是結合起來(lái)，把他們系統地結合起來(lái)，這就是為什么FPGA也加入了很多元件，包括微處理器、DSP以及模擬部分，我們盡量把有用的資源融入到FPGA中。而最終是用戶(hù)受益，我們?yōu)樗麄儎?chuàng )造了靈活的、容易做差異化的、可編程的FPGA。”

進(jìn)軍數據中心 布局未來(lái)世界

“未來(lái)所有的企業(yè)都將是互聯(lián)網(wǎng)公司”的言論在互聯(lián)網(wǎng)上瘋傳，也給了很多公司啟示。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，與其相關(guān)的大數據、軟件定義數據中心和云計算等成為熱門(mén)應用，計算和存儲市場(chǎng)成為很多公司的涉獵對象，Altera也不例外。Waters介紹到：“憑借我們優(yōu)秀的產(chǎn)品，計算和存儲市場(chǎng)已成為Altera成長(cháng)最快的市場(chǎng)，并且在該領(lǐng)域成為最大的FPGA供應商。”

Waters把影響數據中心的趨勢歸納為：網(wǎng)絡(luò )加速(減少內存瓶頸，降低延遲)，管理電能和冷卻，CPU卸載以及數據接入(分析、挖掘和訪(fǎng)問(wèn)加速)。而數據中心的挑戰主要來(lái)自CPU和存儲的瓶頸。CPU架構對于絕大多數并行計算應用(如大數據、搜索)并不高效，這導致過(guò)度的功率消耗，CPU的瓶頸讓其對數據的處理消耗了過(guò)多的資源，這導致性能降低(高延遲)。目前市場(chǎng)的應對策略就是定制硬件和架構，谷歌、IBM、惠普和Facebook等知名企業(yè)都這樣做了。

FPGA在軟件定義數據中心所起的作用是什么呢?主要有資源分享，即計算、存儲和網(wǎng)絡(luò )的虛擬化;加速器，包括網(wǎng)絡(luò )加速、管理程序卸載、數據訪(fǎng)問(wèn)加速和算法加速;集群計算(CPU和FPGA)以及集群互連。

FPGA具有超并行體系結構，包括10~100倍的計算單元，允許在單時(shí)鐘周期內支持多個(gè)或不同指令的并行設計，更好的局部存儲器避免了瓶頸，此外其可編程性可實(shí)現特定應用的加速。這些特性都使得FPGA增加了數據中心的效率，通過(guò)算法加速和最大限度地減少瓶頸，FPGA能夠極大地提升基于CPU的數據中心處理能力，實(shí)現每瓦特性能超過(guò)10倍的增長(cháng)。

據悉，微軟研究院Doug Burger已經(jīng)在試驗一種新的處理器系統來(lái)驅動(dòng)必應Bing服務(wù)的后端，這套系統就是由Altera的FPGA 驅動(dòng)，將以更高效率執行特定的搜索任務(wù)。這個(gè)計劃被命名為 Project Catapult，微軟研究院已經(jīng)測試了1632 臺服務(wù)器群，每一臺服務(wù)器都有英特爾 Xeon 處理器和包括 Altera FPGA 處理器的子卡，來(lái)驗證 Doug Burger 的理論。結果 FPGA 處理的性能是原來(lái) CPU 的 40 倍，但由于一些工作仍由原來(lái)的處理器處理，總體性能是原來(lái)的 2 倍，已經(jīng)是非?？捎^(guān)的結果，而且更省能源。由于效果十分理想，微軟計劃從2015年開(kāi)始在其數據中心中部署FPGA。

下表為在搜索、圖形縮放、金融建模應用中分別用Intel Xeon (w3690)、NVIDIA Tesla(C2075)以及AlteraFPGA加速以后的功耗和性能對比，可以看出，Altera FPGA在各方面遙遙領(lǐng)先。

表1 Intel Xeon (w3690)、NVIDIA Tesla(C2075)以及Altera FPGA加速功耗和性能對比

OpenCL助FPGA改變數據中心游戲規則

由于軟件是實(shí)現差異化的重要一環(huán)，很多公司在軟件上的投入甚至已經(jīng)超過(guò)了硬件本身。為了讓數據中心客戶(hù)更好地使用FPGA，Altera開(kāi)發(fā)了支持OpenCL的設計工具，以讓FPGA編程更友好，軟件開(kāi)發(fā)者可直接用C語(yǔ)言對FPGA進(jìn)行編程，實(shí)現每瓦特最好的性能。

Waters自信地表示：“Altera 的OpenCL對數據中心將有深遠的影響，預計到2016年，50%的Altera數據中心生意將采用OpenCL，6個(gè)最大的服務(wù)器提供商中的4個(gè)以及5個(gè)最大的投資銀行中的3個(gè)都選擇了AlteraOpenCL。”

OpenCL的支持改變了游戲規則，幫助FPGA滲入主流異構計算的世界。FPGA+OpenCL雙劍合璧可以讓在線(xiàn)搜索更加快速。中國的搜索巨頭百度就采用Altera FPGA+OpenCL作為搜索加速，百度在云數據中心使用FPGA加速，這將對開(kāi)發(fā)更準確、更快的在線(xiàn)搜索功能起到關(guān)鍵作用。FPGA滿(mǎn)足了搜索、大數據和深度挖掘這類(lèi)應用的復雜要求。

軟件定義數據中心是一個(gè)正在茁壯成長(cháng)的市場(chǎng)。目前，數據中心給FPGA帶來(lái)了約2億美元的市場(chǎng)，但是Waters預計到2020年該市場(chǎng)將達到10億美元的規模。Waters表示，Altera憑借性能+效率的定位再加上OpenCL，充分滿(mǎn)足了軟件定義數據中心的需求。

在過(guò)去6個(gè)月，Altera相繼發(fā)布了Arria 10、Stratix 10以及MAX 10 FPGA及SoC系列，它們都屬于A(yíng)ltera“第10代”(Generation 10)產(chǎn)品，為Altera第4個(gè)十年開(kāi)啟了加速創(chuàng )新模式，我們也將持續關(guān)注Altera的創(chuàng )新成果如何給市場(chǎng)帶來(lái)的活力。

全球現代科技的創(chuàng )新之源無(wú)疑是美國的硅谷。在硅谷，集結著(zhù)美國各地和世界各國的科技人員達100萬(wàn)以上，美國科學(xué)院院士在硅谷任職的就有近千人，獲諾貝爾獎的科學(xué)家就達30多人。作為電子行業(yè)領(lǐng)先媒體，EEWORLD專(zhuān)程前往美國硅谷，探訪(fǎng)全球頂級的芯片公司，從科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)營(yíng)銷(xiāo)等諸多方面發(fā)掘他們的優(yōu)點(diǎn)，為中國讀者帶來(lái)最新鮮的技術(shù)報道，為中國科技特別是集成電路產(chǎn)業(yè)做出貢獻。