下一代FPGA有望實(shí)現突破性?xún)?yōu)勢

　　本白皮書(shū)介紹為什么電信帶寬和基礎設施促進(jìn)了FPGA功能的增強，以及ASIC和ASSP面臨的商業(yè)挑戰，可編程邏輯器件(PLD)定制方法是怎樣支持FPGA功能的跨越式發(fā)展。本文還簡(jiǎn)要介紹了下一代FPGA和SoC系列品。

　　引言

　　最新發(fā)布的FPGA是硬件規劃人員、軟件開(kāi)發(fā)人員和系統設計人員實(shí)現其下一代產(chǎn)品目標的關(guān)鍵支撐因素。大量的電信基礎設施成指數增長(cháng)的帶寬需求以及各行業(yè)使用這些帶寬的需求使得現有硬件和軟件解決方案很難滿(mǎn)足性能要求，也難以達到成本和功耗目標。ASIC、ASSP和獨立處理器遇到了發(fā)展瓶頸，PLD公司很難解決固有的成本問(wèn)題。而同時(shí)，大量最終應用對帶寬的要求越來(lái)越高，要求PLD公司通過(guò)不同的工具和選擇來(lái)滿(mǎn)足各種需求。通過(guò)這些選擇并且能夠高效應用它們的PLD公司將為硬件和軟件開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)突破性?xún)?yōu)勢，幫助他們開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品。

　　日益增長(cháng)的帶寬和靈活性需求促使功能實(shí)現突破

　　智能電話(huà)和其他便攜式設備越來(lái)越多的功能是促使系統性能大幅度提高的原因所在，下一代FPGA將體現這些系統性能。移動(dòng)帶寬的爆炸式增長(cháng)對無(wú)線(xiàn)、固網(wǎng)和數據中心體系結構功能產(chǎn)生了巨大的需求。智能電話(huà)數量增長(cháng)速率呈個(gè)位百分比，而智能電話(huà)的功能越來(lái)越多，這些設備的用戶(hù)不斷要求提高帶寬。這主要是高質(zhì)量視頻帶寬需求造成的。2012年，智能電話(huà)數據平均使用量增長(cháng)了81%。思科預計到2017年，移動(dòng)流量每年會(huì )增長(cháng)66%，三分之二的移動(dòng)流量是視頻內容。此時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )速度將會(huì )提高七倍，4G網(wǎng)絡(luò )承載了45%的流量(1) (參見(jiàn)圖1)。

　　圖1.思科預測到2017年，移動(dòng)流量達到每月11.2 Exabytes

　　下面簡(jiǎn)要介紹了三種基礎設施應用，在這些例子中，解釋了為什么硬件和軟件開(kāi)發(fā)人員通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現其下一代產(chǎn)品帶寬、性能、功耗和成本目標。

　　■ 無(wú)線(xiàn)遠程射頻單元

　　■ 400G固網(wǎng)通道卡

　　■ 數據中心

　　無(wú)線(xiàn)遠程射頻單元

　　在大投入的無(wú)線(xiàn)基礎設施市場(chǎng)上，電信運營(yíng)商要求帶寬更高更快，而成本更低。速度越快，運營(yíng)商的成本就越低，就可以部署更多的系統，覆蓋更多的區域，為用戶(hù)提供更快的服務(wù)——這是很大的優(yōu)勢。這些公司的產(chǎn)品策略是盡可能一直保持數據通路寬度不變，提高時(shí)鐘頻率。即將出現的遠程射頻單元將采用FPGA為復雜功能提供500 MHz內核性能，例如，實(shí)現數字預失真算法等。這保護了他們在射頻體系結構上的投入，支持他們覆蓋更寬的射頻(RF)帶寬。對此，他們尋求更好的投資回報，只需要很少的工作就能夠完成重新規劃解決方案。

　　而且，他們能夠很快獲得這些新產(chǎn)品，從而增強了產(chǎn)品及時(shí)面市優(yōu)勢。他們還需要降低運營(yíng)成本，降低每比特的成本，這是因為每一移動(dòng)用戶(hù)的收入增長(cháng)率要遠遠低于每一用戶(hù)的數據流量增長(cháng)率。這樣，通過(guò)加寬數據通路，在更小而功效很高的FPGA上開(kāi)發(fā)高功效設計，他們可以實(shí)現這一目標。

　　400G通道卡

　　提高FPGA性能的另一推動(dòng)因素是更新網(wǎng)絡(luò )通信基礎設施的需求。下一代400G和現在的100G通道卡將極大的增強系統功能。下一代系統帶寬增長(cháng)四倍，遠遠大于以前的系統。

　　這類(lèi)市場(chǎng)處于起步階段，因此，公司不會(huì )冒險開(kāi)發(fā)ASIC或者ASSP來(lái)實(shí)現這一目標。集成多個(gè)每秒56 gigabits (Gbps)和28 Gbps收發(fā)器解決方案可以滿(mǎn)足這一帶寬需求，但這只是解決方案的一部分。還需要更多、更快的邏輯來(lái)滿(mǎn)足更高的帶寬需求。但是，由于設備使用空間并沒(méi)有改變，因此，功耗指標受限。網(wǎng)絡(luò )基礎設施不會(huì )接受功耗隨帶寬線(xiàn)性增長(cháng)的解決方案。對于400G帶寬每秒6億數據包的包處理和流量管理應用，調整數據通路寬度和頻率能夠緩解數據通路處理功能，但是無(wú)法調整調度等控制通路處理功能。因此，在各方面都需要提高器件性能，包括：處理、存儲器接口、IO接口，等等。FPGA一直是最吸引人的解決方案，但是公司要加大在每瓦高性能體系結構、收發(fā)器和工藝技術(shù)上的投入，大幅度增強功能，解決這一難題。

　　數據中心

　　通過(guò)這些新的無(wú)線(xiàn)設施上傳或者下載的所有數據和視頻會(huì )通過(guò)新的400G數據包處理基礎設施，也需要進(jìn)行存儲和處理。計算功耗和計算成本是數據中心的關(guān)鍵指標。數據中心越來(lái)越多的使用了FPGA進(jìn)行數據訪(fǎng)問(wèn)、計算和網(wǎng)絡(luò )加速。數據中心服務(wù)器的瓶頸在于對數據的訪(fǎng)問(wèn)。最新的處理器內核越來(lái)越多，但是，外部存儲器和數據帶寬卻跟不上計算能力的增長(cháng)。很多服務(wù)器只達到平均利用率，距離峰值處理能力還很遠。這些服務(wù)器非常適合采用FPGA進(jìn)行加速。通過(guò)FPGA實(shí)現硬件加速是替代這些處理器的好方法，它解決了處理器軟件無(wú)法克服的性能瓶頸。

　　其他應用也通過(guò)FPGA來(lái)滿(mǎn)足其越來(lái)越高的帶寬需求，例如，視頻內容提供商轉向4K視頻，還有云計算和國防情報應用等。這些應用面臨同樣的問(wèn)題。如果需要了解詳細信息，請參考微軟研究：加速大規模數據中心服務(wù)的可配置架構。

　　ASIC和ASSP應用面臨越來(lái)越大的商業(yè)挑戰

　　ASIC設計需要很長(cháng)的時(shí)間投放市場(chǎng)、很高的前端資金投入以及大批量產(chǎn)出才能實(shí)現回報等，這些因素使得ASIC的投入風(fēng)險非常大，只有很少的公司會(huì )承擔這種風(fēng)險。對于28 nm ASIC，ASIC工具模板和封裝的流片(NRE)成本、知識產(chǎn)權(IP)許可以及物理設計服務(wù)等成本很容易超過(guò)1千萬(wàn)美元，在很多情況下，20 nm或者14 nm FPGA能夠解決這些問(wèn)題。相對于A(yíng)SIC，雖然目前的FPGA需要嚴格的仿真驗證，但是，與標準單元ASIC設計相比，實(shí)驗室測試以及能夠對FPGA重新編程等方法有效的降低了人工投入。FPGA組件價(jià)格雖然可能高于同樣復雜的ASIC，但是應該考慮總體擁有成本。標準單元ASIC的收支平衡點(diǎn)在不斷提高，前沿CMOS技術(shù)使得FPGA更復雜，性能更好，功耗更低，而這是ASIC難以實(shí)現的。

　　與FPGA和ASSP相比，低成本工藝節點(diǎn)會(huì )降低ASIC的優(yōu)勢，這是因為這些解決方案會(huì )把客戶(hù)集中到更先進(jìn)的工藝節點(diǎn)上，更具價(jià)格和性能競爭優(yōu)勢。目前的FPGA使用28 nm工藝，很快將采用20 nm以及更小的工藝技術(shù)。但是，大部分新ASIC設計要落后兩到三個(gè)節點(diǎn)，甚至更多。差距越大，FPGA在價(jià)格、性能和集成度上就越具有吸引力。請參見(jiàn)圖2。

　　圖2.新設計的可編程邏輯和ASIC主要工藝節點(diǎn)對比

　　Gartner預測，到2016年，ASIC設計總數量每年會(huì )下降3.8%。而且，每過(guò)一年，每一設計都要求更高的產(chǎn)量才能獲得收益(3)。只有大公司能夠在市場(chǎng)上獲得ASIC成本回報，對于大部分公司，ASSP和FPGA成為唯一的可行選擇。

　　但是，ASSP價(jià)值地位也在下降，原因如下：

　　■ 提高處理器性能的挑戰

　　■ 突出產(chǎn)品優(yōu)勢的需求

　　■ 響應市場(chǎng)的需求(產(chǎn)品及時(shí)面市)

　　■ 在可重新配置上不夠靈活

　　硬件規劃人員以前能夠借助越來(lái)越高的處理器頻率和越來(lái)越多的處理器內核來(lái)提高他們下一產(chǎn)品的系統性能。但是現在，由于處理器頻率并沒(méi)有隨時(shí)間大幅度增長(cháng)，而是通過(guò)增加處理器內核數量以實(shí)現并行工作，無(wú)法解決性能瓶頸問(wèn)題，因此，硬件規劃人員不能再采用這一方法來(lái)提高性能。很多硬件規劃人員的解決方案是開(kāi)發(fā)專(zhuān)用硬件，以解決這些軟件瓶頸。

　　開(kāi)發(fā)處理器使用的專(zhuān)用增強IP有助于解決這些難題。但是，競爭公司也可以使用讓ASSP優(yōu)于前一代產(chǎn)品的硬件加速功能。此外，無(wú)法通過(guò)使用ASSP來(lái)解決某些特殊軟件的瓶頸。

　　ASSP的關(guān)鍵優(yōu)勢在于產(chǎn)品快速面市，但并不總是如此。需要ASSP特殊功能的小公司無(wú)法獲得他們最需要的型號或何時(shí)將產(chǎn)品投放市場(chǎng)。大公司也得依靠供應商為他們提供所需要的產(chǎn)品。但是，他們能得到這些型號產(chǎn)品，其他公司也能得到。FPGA是克服這些ASIC和ASSP固有問(wèn)題的好方法，在今后的產(chǎn)品中甚至能進(jìn)一步增強功能。