人工智能?自動(dòng)駕駛?云計算?數據中心?10nm FPGA全程帶飛

CPU疲于應對未來(lái)大數據運算

　　當下時(shí)代的主題究竟是什么?5G通信?人工智能?自動(dòng)駕駛?還是云計算?或許都是;又或許，都不是。當你看到在這些前端應用市場(chǎng)不斷迸發(fā)著(zhù)激情和靈感時(shí)，如何滿(mǎn)足其背后以指數形式增長(cháng)的數據需求就成了諸多工程師最為頭疼的問(wèn)題。

　　有數據顯示，到2020年，平均每位互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)每天將會(huì )產(chǎn)生1.5GB數據流量，自動(dòng)駕駛汽車(chē)每天將會(huì )產(chǎn)生4TB數據流量，聯(lián)網(wǎng)飛機每天將會(huì )產(chǎn)生5TB數據流量，智能工廠(chǎng)每天將會(huì )產(chǎn)生1PB數據流量，云視頻提供商每天將會(huì )生成750PB視頻類(lèi)的數據流量。在聯(lián)網(wǎng)的世界里，數據量將會(huì )以指數形式增長(cháng)。(1PB=1024TB)

　　目前，全世界有80億個(gè)終端聯(lián)網(wǎng)，到2020年將會(huì )有500億個(gè)終端聯(lián)網(wǎng)，與此同時(shí)，未來(lái)聯(lián)網(wǎng)設備將會(huì )需要更寬的帶寬。據思科預測，到2020年，聯(lián)網(wǎng)IP流量將會(huì )達到2300EB(1EB=1024PB)。這時(shí)，數據中心會(huì )與終端連接，形成一個(gè)良性循環(huán)，而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將會(huì )加速這一循環(huán)，使得網(wǎng)絡(luò )將必須在更高的速度上處理更多數據，數據中心也需要做更復雜的計算，處理更大的數據級，嵌入式終端和設備也要做很多本地計算。另外，數據中心還需要應對更多具有挑戰性的負載，例如大數據分析和機器學(xué)習，這又將會(huì )在整個(gè)循環(huán)中產(chǎn)生很多數據瓶頸和計算熱點(diǎn)，這些都使得CPU無(wú)法單獨應對。

　　如何解決這一難題呢?

　　FPGA：讓我來(lái)為計算加點(diǎn)料!!!

圖1 數據中心與終端設備的良性循環(huán)

FPGA：時(shí)代的推手

　　5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、智慧城市、自動(dòng)駕駛及雷達和航天是當下最火爆的六大應用市場(chǎng)，而由于這些應用都涉及到海量的數據和高速的運算能力，每個(gè)市場(chǎng)都在面臨連接數量和計算復雜度的急速增長(cháng)，單靠CPU已經(jīng)很難輕松拿下未來(lái)這場(chǎng)攻堅戰。而利用FPGA開(kāi)發(fā)系統時(shí)，系統設計不會(huì )被鎖定，開(kāi)發(fā)周期短，相比專(zhuān)用硬件具有更好的容錯性。因而，可以說(shuō)FPGA的又一主場(chǎng)即將到來(lái)。

　　例如，在當下熱點(diǎn)之一的無(wú)人駕駛領(lǐng)域，隨著(zhù)無(wú)人駕駛的不斷發(fā)展，對性能將會(huì )有更高的要求，而在對算法應用上也將會(huì )有很大的不確定性，因而會(huì )出現很多計算孤島，每一個(gè)孤島會(huì )有自己的本身硬件和開(kāi)發(fā)環(huán)境，這對制造開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)是不可持續的。FPGA在以下兩個(gè)領(lǐng)域可以發(fā)揮關(guān)鍵作用：

　　1)本地計算。例如傳感器融合，深度學(xué)習推算這些都是要在汽車(chē)上本地實(shí)時(shí)進(jìn)行。

　　2)安全可靠的5G連接。把汽車(chē)和其他車(chē)輛及云端實(shí)現連接。

　　在智慧城市領(lǐng)域，同樣，計算孤島也正在出現，包括交通管理系統、照明管理系統、泊車(chē)管理系統和安全攝像頭，實(shí)際上都是各自為政的，眾多不同的系統由眾多不同的廠(chǎng)家來(lái)生產(chǎn)，有不同架構和開(kāi)發(fā)環(huán)境，不同的系統之間無(wú)法實(shí)現數據共享，城市管理者無(wú)法實(shí)現對城市全面的了解。而CPU+FPGA實(shí)際上可以取代一些專(zhuān)有的架構，只需要通過(guò)加速幾個(gè)關(guān)鍵功能就可以提供本地計算、連接和分析能力。另外，也可以將眾多的孤島放到單一的英特爾架構上，加上FPGA的環(huán)境及5G網(wǎng)絡(luò )，從而降低開(kāi)發(fā)成本和錯誤率，并使系統具備機器學(xué)習的能力，以應對未來(lái)更加復雜的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境和城市環(huán)境。

　　這些應用都很好地說(shuō)明了FPGA在加速良性循環(huán)方面的重要作用。

FPGA才是異構計算的神助手

　　其實(shí)FPGA相當于一個(gè)具有以下兩方面優(yōu)點(diǎn)先進(jìn)的多功能加速器：

　　1) 擁有巨大的編程靈活性，支持高度差異化的產(chǎn)品;

　　2) 可以在現場(chǎng)重新配置，虛擬加速任何數字算法;

　　3) 支持并行運算;

　　4) 吞吐量、實(shí)時(shí)速度、能耗等性能相比CPU或GPU優(yōu)異10倍;

　　5) 低時(shí)延可以處理更多數據。

　　因此，FPGA是一種兼具硬件性能和軟件可編程能力的產(chǎn)品，對于異構計算來(lái)說(shuō)尤為重要。

　　FPGA在異構計算中具體有兩種加速形式，即旁路加速和內建加速。旁路加速可以將重度計算功能轉移到FPGA上，從而釋放處理器去處理其他功能;而如果時(shí)延比較重要，則可以進(jìn)行內建加速，從而通過(guò)FPGA的多功能性帶來(lái)更好的網(wǎng)絡(luò )存儲和計算的加速。另外，英特爾FPGA產(chǎn)品在包括數據庫加速、基因測序、存儲及云端已經(jīng)有具體的應用和很好的效果。

圖2 FPGA在異構計算中的兩種加速形式

10nm FPGA帶節奏

　　Altera并入英特爾并成為英特爾PSG事業(yè)部，獲得了英特爾領(lǐng)先業(yè)界三年的制程技術(shù)，帶來(lái)更大的容量和更快的速度。最新的STRATIX^?10高端芯片已經(jīng)有樣片，ARRIA^?10產(chǎn)品已經(jīng)在全面生產(chǎn)，而CYCLONE^?10和MAX^?10已經(jīng)可以大量出貨。

圖3 STRATIX^?10/ARRIA^?10/CYCLONE^?10/MAX^?10

　　下一代基于英特爾10nm制程的新FPGA產(chǎn)品——Falcon Mesa，使用英特爾10nm制程及世界最先進(jìn)的FINFET技術(shù)，也是第二代使用HyperFlexTM和基于EMIB異構SIP(EMIB是英特爾的接口規范。)的產(chǎn)品。新產(chǎn)品會(huì )支持下一代HBM，轉換速率達112Gbps，還支持PCIe 4x16，從而可以支持16TB的大帶寬。

圖4 英特爾公司可編程解決方案事業(yè)部副總裁兼客戶(hù)體驗事業(yè)部總經(jīng)理Rina Raman

　　英特爾公司可編程解決方案事業(yè)部副總裁兼客戶(hù)體驗事業(yè)部總經(jīng)理Rina Raman稱(chēng)，“這是Altera并入英特爾后第一代使用英特爾10nm制程技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，我們將繼續推動(dòng)摩爾定律的實(shí)現，為業(yè)界帶來(lái)領(lǐng)先的性能和能效?！?/p>