FPGA效能大躍進(jìn)的秘密

　　過(guò)去，每?jì)赡瓴拍芴嵘F場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)10%的效能，對于日新月異的網(wǎng)路、電信或云端基礎建設來(lái)說(shuō)，速度有些慢，對系統設計人員來(lái)說(shuō)，設計過(guò)程中將遭遇不少挑戰。其中，提升系統效能及效率、縮減系統尺寸與降低功耗，都是讓設計工程師亟需更高效能FPGA的原因。

　　由于FPGA效能提升速度如“老牛拉車(chē)”，面對新一代行動(dòng)通訊技術(shù)如長(cháng)程演進(jìn)計畫(huà)(LTE)、LTE-Advanced，甚至下一代的5G技術(shù)，對電信基礎建設骨干傳輸速度的要求;以及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、云端運算(Cloud Computing)應用對資料中心網(wǎng)路頻寬的再提升，FPGA勢必加快效能提升的腳步。所幸，在FPGA業(yè)者的努力下，FPGA效能有突破性的進(jìn)展。

　　Altera資深產(chǎn)品行銷(xiāo)總監Patrick Dorsey表示，之前，Altera提升FPGA效能的方式是擴展資料傳輸管線(xiàn)(Data Path)，期望越大的管線(xiàn)可以提升資料傳輸的速度，但這樣的作法反而導致更難以實(shí)現精確的布線(xiàn)、時(shí)脈(Clock)，以至于FPGA效能提升有限，且總延遲時(shí)間長(cháng)。因此Altera新研發(fā)的HyperFlex架構則改變作法，取經(jīng)英特爾(Intel)核心布線(xiàn)方式，縮小資料傳輸管線(xiàn)外，并在所有布線(xiàn)上增加10倍數量的超級暫存器，進(jìn)而將FPGA效能增進(jìn)2倍之多。

　　而此新架構也已實(shí)現在A(yíng)ltera Stratix 10系列，現階段也有業(yè)者以軟體的方式測試此新FPGA為其系統帶來(lái)的好處。

　　刷新高階FPGA性能紀錄!

　　專(zhuān)注于資料中心(Data Center)、通訊、網(wǎng)路或物聯(lián)網(wǎng)(IoT)基礎設施…等系統設計人員，在設計時(shí)都相當重視三個(gè)關(guān)鍵要素--系統性能與效率、系統整合度與安全性，因此設計工程師需要選用高階的現場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)，確保產(chǎn)品能符合上述三項需求。然而現有的晶片產(chǎn)品已越來(lái)越難滿(mǎn)足日新月異的網(wǎng)路基礎建設要求，因此FPGA業(yè)者透過(guò)暫存器無(wú)所不在技術(shù)，將可全面提升FPGA與SoC的效能。

　　剛被英特爾(Intel)收購的Altera資深產(chǎn)品行銷(xiāo)總監Patrick Dorsey表示，過(guò)去每?jì)赡瓴拍軐PGA性能提升10%，因此一般人很難相信如何在間隔一個(gè)世代的產(chǎn)品間，一舉將FPGA核心性能提升2倍、同時(shí)還能減少70%的功耗、提升電晶體密度，并還能擁有全面性的安全防護特性。祕訣就在于，利用暫存器無(wú)所不在技術(shù)，以及在晶片內部?jì)冉ò踩芾砥?SDM)。

　　物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展促使通訊后端骨干基礎建設傳輸頻寬與效率須不斷提高，然而受限于晶片內部布線(xiàn)方式未創(chuàng )新，導致FPGA性能的提升速度過(guò)慢、總延遲時(shí)間高，因此先前FPGA業(yè)者包括Altera或賽靈思(Xilinx)多以增加更寬、更多的匯流排技術(shù)試圖提升FPGA的效能。但結果則是增加了資料傳輸的壅塞、無(wú)法時(shí)間更精確的時(shí)脈(Clock)，反而造成工程師在系統設計上遭遇更多難題。

　　物聯(lián)網(wǎng)萬(wàn)物皆可聯(lián)網(wǎng)的宗旨導致通訊后端基礎建設的資料傳輸速率也需不斷地提升。

　　有鑒于此，Altera開(kāi)發(fā)HyperFlex技術(shù)。Dorsey指出，事實(shí)上，HyperFlex是個(gè)非常簡(jiǎn)單的概念，就是把寄存器放在邏輯單元之中，與FPGA相互配合，亦即Altera在HyperFlex架構中，實(shí)現無(wú)所不在的寄存器的安放，也就是說(shuō)在HyperFlex整個(gè)布線(xiàn)中會(huì )有上千萬(wàn)個(gè)寄存器存在，較過(guò)去多上10倍。

　　透過(guò)增加暫存器，可使晶片內部溝通更有效率，進(jìn)而提升效能。

　　舉例來(lái)說(shuō)，系統中，當一個(gè)功能要和另一個(gè)功能進(jìn)行溝通時(shí)，通常是在幾個(gè)奈秒(ns)間，就這個(gè)通話(huà)溝通過(guò)程中會(huì )出現不同波形的轉換。所謂系統的性能，實(shí)際上就是這個(gè)系統進(jìn)行通話(huà)過(guò)程中，它出現最長(cháng)的延時(shí)會(huì )是多少，而HyperFlex架構的優(yōu)勢就在于可進(jìn)一步再降低延時(shí)時(shí)間，使系統間的溝通更為快速和順暢。

　　因透過(guò)HyperFlex架構把整個(gè)系統性能中的時(shí)序進(jìn)行分割，使系統所需的溝通管道變短、變寬，促使FPGA性能提高2倍，相較之下，功耗也可進(jìn)一步降低、晶片面積也會(huì )隨之減少一半。這對資料中心設計工程師來(lái)說(shuō)，過(guò)去可能需要使用5顆FPGA，現在僅需一顆即可以讓系統整體功率降低63%。

　　另一方面，在固網(wǎng)光交換系統中，采用HyperFlex架構的FPGA，除了效能提升2倍之外，功耗降低40%，且面積縮小30%。Dorsey強調，系統設計人員都希望能透可編程技術(shù)實(shí)現硬體系統的優(yōu)化和定制化，然在此過(guò)程中，系統設計人員面臨的挑戰是得在提升效能的同時(shí)，還須降低功耗。HyperFlex架構可讓設計人員在自己做設計的情況下，能實(shí)現硬體定制化。達到效能和功耗的良好匹配。