自Xilinx在1984年創(chuàng)造出FPGA以來(lái)，這種可編程邏輯器件憑借性能,、上市時(shí)間,、成本、穩(wěn)定性和長(zhǎng)期維護(hù)方面的優(yōu)勢(shì),，在通信,、醫(yī)療、工控和安防等領(lǐng)域占有一席之地,，在過(guò)去幾年也有極高的增長(zhǎng)率,。而進(jìn)入了最近兩年，由于云計(jì)算,、高性能計(jì)算和人工智能的繁榮,，擁有先天優(yōu)勢(shì)的FPGA的關(guān)注度更是到達(dá)了前所未有的高度。本文從基礎(chǔ)出發(fā)談及FPGA的過(guò)去,、現(xiàn)在與未來(lái),。

我們知道，相對(duì)于專業(yè)的ASIC,，F(xiàn)PGA有上市時(shí)間和成本上的優(yōu)勢(shì),。另外，在大多數(shù)情況下,，F(xiàn)PGA執(zhí)行某些功能較之CPU上的軟件操作更高效,。這就是為什么我們認(rèn)為它不但會(huì)運(yùn)用在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器、交換器,、存儲(chǔ)層的各個(gè)角落,，并且具有加速整個(gè)工作流程的功能。

然而我們不能過(guò)分樂(lè)觀,，尤其是在2015年12月,，Intel以167億美元收購(gòu)了FPGA生產(chǎn)商Altera之后,。

在2014年年底，當(dāng)時(shí)還處于獨(dú)立的Altera公司高層盯上了基于CPU+FPGA的數(shù)據(jù)中心并行計(jì)算的發(fā)展前景——這個(gè)當(dāng)時(shí)價(jià)值大約10億美元的市場(chǎng),。而并非數(shù)據(jù)中心里約2.5億美元的CPU-GPU市場(chǎng)和直接應(yīng)用CPU處理器的90億美元市場(chǎng),。

Altera做出這個(gè)決定的原因在于他們認(rèn)為這個(gè)組合較之另外兩個(gè)方案，有編程的簡(jiǎn)便性和能效優(yōu)勢(shì),。人們對(duì)CPU非常熟悉,，并發(fā)現(xiàn)尋找C程序員也不會(huì)太難。因此對(duì)大部分開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō),，在執(zhí)行運(yùn)算任務(wù)的時(shí)候,，持續(xù)使用這種方案不需要冒太大的風(fēng)險(xiǎn)，但是能源效率相對(duì)比較低,，尤其是在密集的計(jì)算和固有的并行工作負(fù)載的情況底下,。

至于CPU+GPU的方案,，程序員并不是很熟悉,，但是擁有很高的效率。

根據(jù)Altera的估計(jì),，使用OpenCL對(duì)混合CPU-FPGA系統(tǒng)進(jìn)行編程比使用Nvidia的CUDA環(huán)境對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)更容易(某些方面肯定是有爭(zhēng)議的),，但用HDL來(lái)硬編程FPGA是相當(dāng)困難的，因此需要OpenCL或者通過(guò)其他抽象層來(lái)將CPU中的負(fù)載轉(zhuǎn)移到FPGA上,。

Intel收購(gòu)Altera改變FPGA格局

這個(gè)十億美元的數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)被Altera,、Xilinx和其他FPGA供應(yīng)商瓜分。在Intel于2015年6月收購(gòu)了Altera之后,，這個(gè)市場(chǎng)變得更加復(fù)雜,。

在收購(gòu)之前的2014年，Altera的19億美元收入中,，有16%來(lái)自于與數(shù)據(jù)中心相關(guān)的計(jì)算,、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)業(yè)務(wù)，其總值達(dá)到3.04億美元,。那些在這個(gè)領(lǐng)域深耕十幾二十年的通信和無(wú)線設(shè)備系統(tǒng)制造商想要有更高的能源效率,，更低的成本和更高的擴(kuò)展性，這些都是FPGA所擅長(zhǎng)的領(lǐng)域,。另外有一點(diǎn)需要提一下,，那就是在執(zhí)行這些功能的時(shí)候，使用FPGA并不需要像使用CPU那樣需要操作系統(tǒng)和相應(yīng)的軟件,。這部分的營(yíng)收占了Altera營(yíng)收的44%,，總額為8.35億美元,。

Altera另外的22%收入,，即4.18億美元,，來(lái)自工業(yè)控制、軍事設(shè)備和汽車制造等領(lǐng)域,。他們面對(duì)相同的困境，因此選擇FPGA來(lái)處理他們的一些工作負(fù)載,。

其實(shí)早在2014年,，英特爾看中了價(jià)值1150億美元的各種類型的芯片潛在市場(chǎng)。當(dāng)中可編輯邏輯設(shè)備(以FPGA為主)約占4%,，ASIC占18%,，其余為ASSP的大雜燴。

在可編輯邏輯設(shè)備的領(lǐng)域中,，英特爾預(yù)估Altera占有48億美元市場(chǎng)中的39%,，Xilinx占有49%，剩下供應(yīng)商則占據(jù)剩下的12%,。

當(dāng)時(shí)英特爾沒(méi)有收購(gòu)Altera的原因是因?yàn)镕PGA業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)速度幾乎與其數(shù)據(jù)中心集團(tuán)(為服務(wù)器,，存儲(chǔ)和交換機(jī)制造商提供芯片，芯片組和主板)的速度一樣快,。

再者,，英特爾沒(méi)有這樣做也是因?yàn)槟柖芍饾u緩慢下來(lái)的腳步，給FPGA帶來(lái)了日益增長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)威脅,。

實(shí)際上,，如果應(yīng)用的話，在數(shù)據(jù)中心里不止安裝一個(gè)FPGA,、GPU或DSP加速器,，但不需要安裝多個(gè)Xeon  CPU。由于英特爾不能繼續(xù)為Xeons提供更多的核心和加速器,，所以他們得出了將FPGA當(dāng)做加速器的結(jié)論,。

除非FPGA能在數(shù)據(jù)中心創(chuàng)造5億美元的收益，或者幾年后創(chuàng)造10億美元或更多的收入,。不然英特爾寧愿犧牲兩至三倍的Xeon收入,，也不會(huì)把Xeon的收入拱手相讓。

深度學(xué)習(xí)加持,，F(xiàn)PGA前景可人

根據(jù)英特爾的預(yù)測(cè),，他們計(jì)劃從現(xiàn)在到2023年以接近直線增長(zhǎng)率來(lái)提升FPGA的業(yè)務(wù)。對(duì)此我們總是抱有懷疑的態(tài)度,。但FPGA業(yè)務(wù)隨著時(shí)間的推移或多或少地在增長(zhǎng)(比15年前增長(zhǎng)約2.5倍),。

英特爾還預(yù)計(jì)，F(xiàn)PGA的營(yíng)收在2014年到2023年之間將會(huì)再翻一倍,。按照英特爾預(yù)測(cè),，從2014年到2023年間其復(fù)合年增長(zhǎng)率為7%，其收入應(yīng)該略低于預(yù)測(cè)的89億美元,。有趣的是,，由于英特爾的預(yù)測(cè)并沒(méi)有把來(lái)自數(shù)據(jù)計(jì)算中心(服務(wù)器,，交換和網(wǎng)絡(luò))的FPGA收入份額納入計(jì)劃中，這將會(huì)發(fā)生很大變化,。

如果Altera和Xilinx的市場(chǎng)份額沒(méi)有發(fā)生改變,，且假設(shè)Altera的收入在網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算和存儲(chǔ)的部分保持不變,，那么Altera這一部分的業(yè)務(wù)收入到2023年將會(huì)達(dá)到5.6億美元左右,。我們認(rèn)為Intel這樣的數(shù)據(jù)低估了數(shù)據(jù)中心在提供更有效和靈活計(jì)算所面對(duì)的壓力。不給過(guò)我們認(rèn)為FPGA的前景遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于這個(gè)預(yù)測(cè),。也就是說(shuō),，許多FPGA技術(shù)的支持者一直期待FPGA在數(shù)據(jù)中心中獲得計(jì)算合法化的那天很快到來(lái)。

諷刺的是,，英特爾本身作為FPGA的編程專家,，硬件描述語(yǔ)言的使用者，以及知名的ASIC制造商,，竟成為推動(dòng)FPGA成為加速器優(yōu)先選擇的主要參與者,。這樣的加速器既能作為獨(dú)立的離散計(jì)算元件，又可以作為混合  CPU-FPGA器件,。

這也是為什么從2016年以來(lái),，我們看到所有關(guān)于Altera的新聞都是昭示FPGA將會(huì)有的大規(guī)模增的增長(zhǎng),。所以至少在短期,，他們除了為其他的FPGA制造商作嫁衣裳，幾乎別無(wú)他法,。

這次收購(gòu)不僅是FPGA發(fā)展的里程碑,，也是英特爾對(duì)FPGA巨大的潛力的承認(rèn)。FPGA作為未來(lái)強(qiáng)大的計(jì)算加速器,，不但影響主要企業(yè)的決策和市場(chǎng)趨勢(shì),，而且加速企業(yè)中的工作負(fù)載，促進(jìn)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部搜索,，以及提高高性能計(jì)算模擬的地位,。

在跨越2017年之際，F(xiàn)PGA在應(yīng)用程序中等級(jí)中新增了機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí),，這給FPGA產(chǎn)業(yè)敲下了又一重錘,。

為什么大家都青睞FPGA

首先，編程FPGA的軟件棧已經(jīng)演進(jìn)了,，尤其是在Altera的幫助下,，F(xiàn)PGA增加了對(duì)OpenCL開(kāi)發(fā)環(huán)境的支持。但不是每個(gè)人都是OpenCL的狂熱粉絲,。

先有Nvidia為其Tesla  GPU加速器創(chuàng)建了自己的CUDA并行編程環(huán)境,。再有SRC計(jì)算機(jī)公司不但早在2002年就為國(guó)防和智能領(lǐng)域提供混合CPU-FPGA系統(tǒng),，到了2016年年中，進(jìn)一步將自己研發(fā)的Carte編程環(huán)境進(jìn)入了商業(yè)市場(chǎng),，這個(gè)編程環(huán)境可以使C和Fortran程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為FPGA的硬件描述語(yǔ)言(HDL),。

另一個(gè)推動(dòng)FPGA被采用的因素是隨著芯片制造技術(shù)難以持續(xù)縮進(jìn)，多核CPU性能的提高越來(lái)越艱難,。  雖然CPU的性能獲得了大跳躍,，但主要用于擴(kuò)展CPU的性能吞吐量，而不是單個(gè)CPU內(nèi)核的個(gè)體性能,。(我們知道架構(gòu)增強(qiáng)是有難度的),。但是FPGA和GPU加速器的每瓦性能都有了令人信服的改進(jìn)。

根據(jù)微軟的運(yùn)行測(cè)試,，在執(zhí)行深度學(xué)習(xí)算法的時(shí)候,，CPU-FPGA和CPU-GPU混合計(jì)算在的每瓦性能也不相伯仲。GPU在運(yùn)行中更熱和有類似的每瓦性能表現(xiàn),，但是同時(shí)他們也帶來(lái)了更強(qiáng)的工作能力,。

提高了每瓦性能解析了為什么世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)在20世紀(jì)90年代后期轉(zhuǎn)移到并行集群，并且解析了為什么現(xiàn)在他們轉(zhuǎn)向了混合機(jī)器,，而不是英特爾的下一個(gè)以  CPU-GPU為混合主力的Xeon Phi的處理器“Knights Landing (簡(jiǎn)稱KNL),。

在Altera FPGA協(xié)處理器和Xeon Phi處理器Knights  Landing的幫助下，英特爾不但可以保持自己的在高端的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),。并且在與Nvidia ,、IBM和 Mellanox組成的Open  power聯(lián)盟競(jìng)爭(zhēng)中繼續(xù)領(lǐng)先。

英特爾堅(jiān)信超大規(guī)模計(jì)算,，云端和HPC市場(chǎng)的工作負(fù)載會(huì)快速成長(zhǎng),。為促進(jìn)其計(jì)算業(yè)務(wù)繼續(xù)蓬勃發(fā)展。這情況下只能成為FPGA的賣家,，否則別人就會(huì)搶去這唯一的出路,。

但英特爾并不是這樣跟大家說(shuō)。他們說(shuō)：“我們不認(rèn)為這是一種防守戰(zhàn)或者其他,，”英特爾的CEO Brian  Krzanich在Altera收購(gòu)消息后的新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō),。

“我們認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心都是龐大的。這些也是我們的客戶想要構(gòu)建的產(chǎn)品,。我們30%的云端工作負(fù)載將在這些產(chǎn)品上,，這是基于我們對(duì)如何看待趨勢(shì)變化以及市場(chǎng)發(fā)展的預(yù)測(cè)。

這是用來(lái)證明這些工作負(fù)載能以一種或另一種方式轉(zhuǎn)移到硅中,。我們認(rèn)為最好的做法是使用有業(yè)界最佳性能和成本優(yōu)勢(shì)的Xeon處理器和FPGA組合,。這將給工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)更好的產(chǎn)品和性能。而在IoT中,，這將擴(kuò)展到潛在市場(chǎng)對(duì)抗ASIC和ASSP;而在數(shù)據(jù)中心中,，則會(huì)將workload轉(zhuǎn)移到硅,，推動(dòng)云的快速增長(zhǎng)。

Krzanich解釋道：“你可以把FPGA想象成一堆gate,，且能夠隨時(shí)編程,。根據(jù)他們的想法，其算法會(huì)隨著時(shí)間的推移和學(xué)習(xí)變得更聰明,。FPGA可以用作多個(gè)領(lǐng)域的加速器,，可以在進(jìn)行加密的同時(shí)進(jìn)行面部搜索，而且能在基本上在微秒內(nèi)重新編程FPGA,。這比大規(guī)模的單個(gè)定制部件的成本低得多且具備更高的靈活性,。”

英特爾看到了更大的機(jī)會(huì)

Intel首席執(zhí)行官Brian  Krzanich在收購(gòu)?fù)瓿珊笮?，?020年,，將有高達(dá)三分之一的云端服務(wù)提供商使用混合的CPU-FPGA服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，這是一個(gè)令人震驚的消息,。這也給從2014年底就開(kāi)始瞄準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中心的Altera帶來(lái)大約10億美元的FPGA的機(jī)會(huì),。這數(shù)目大概是Nvidia目前流行的Tesla計(jì)算引擎營(yíng)收的三倍。

在2014年初,，英特爾展示了一個(gè)相同封裝的Xeon-FPGA芯片原型,，并且打算在2017年推出這個(gè)芯片。這是基于當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)中心集團(tuán)GM Diane  Bryant提出的一個(gè)帶有FPGA電路的Xeon設(shè)想不久之后推出的,。

在宣布Altera交易的電話會(huì)議上,，Krzanich沒(méi)有說(shuō)明退出這款Xeon-FPGA設(shè)備的時(shí)間，但是他表示英特爾將創(chuàng)建一個(gè)面向物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的單die混合Atom-FPGA設(shè)備,。英特爾正在考究在混合過(guò)渡階段,，是否需要為Atom和Altera  FPGA做單一封裝混合。

在2016年的初太平洋頂峰證券的電話會(huì)議中,，英特爾的云端基礎(chǔ)設(shè)施集團(tuán)總經(jīng)理Jason  Waxman與研究分析師討論關(guān)于英特爾數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)時(shí)表示，F(xiàn)PGA已經(jīng)成為了熱門話題,。

首先,，雖然他沒(méi)有指名道姓哪家廠商或者任何設(shè)備的規(guī)格，但是Waxman確定英特爾已經(jīng)為某些客戶提供了Xeon加FPGA的混合計(jì)算引擎樣品,。

在會(huì)議期間,，Waxman更是暢談了驅(qū)動(dòng)英特爾收購(gòu)Altera和插足可編程計(jì)算設(shè)備的原因。  英特爾顯然希望讓FPGA成為主流,，即使這可能會(huì)在數(shù)據(jù)中心中蠶食Xeon的某些業(yè)務(wù),。  (我們認(rèn)為，因?yàn)橛⑻貭栒J(rèn)為這種自相殘殺是不可避免的,，控制它的最好方法是使FPGA成為Xeon陣容的一部分,。)

Waxman說(shuō)：“我認(rèn)為這項(xiàng)收購(gòu)可能涉及許多事情,，而且其中一些已經(jīng)超越數(shù)據(jù)中心集團(tuán)的范圍?！?/p>

首先,，一個(gè)潛在的核心業(yè)務(wù)往往是由制造領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)驅(qū)動(dòng)。在這方面我們能很好的掌控,，而且這樣做還有良好的協(xié)同作用,。

再者，還有物聯(lián)網(wǎng)“集團(tuán)”對(duì)此也有很強(qiáng)的興趣,。

據(jù)我們所知,，某些大規(guī)模工作負(fù)載的擴(kuò)展(如機(jī)器學(xué)習(xí)，某些網(wǎng)絡(luò)功能)吸引了越來(lái)越多的人關(guān)注,。我們才意識(shí)到我們或者可以在性能方面取得一些突破,，這將是一個(gè)把FPGA從數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序中移植到更多適合的、廣泛發(fā)展領(lǐng)域的良好機(jī)會(huì),。

但是在數(shù)據(jù)中心集團(tuán)里的協(xié)作,，F(xiàn)PGA不過(guò)是給CPU做個(gè)伴，幫助解決云端服務(wù)提供商和其他類型的大規(guī)模應(yīng)用程序的問(wèn)題,。

英特爾認(rèn)為對(duì)FPGA加速有優(yōu)先和大量需求的關(guān)鍵應(yīng)用包括機(jī)器學(xué)習(xí),，搜索引擎索引，加密和數(shù)據(jù)壓縮,。正如Waxman指出,，這些往往是很有針對(duì)性的，且沒(méi)有統(tǒng)一的使用案例,。這就是Krzanich斬釘截鐵說(shuō)三分之一的云端服務(wù)提供商將在五年內(nèi)使用FPGA加速的依據(jù),。

跨越FPGA的障礙

雖然每個(gè)人都抱怨編程FPGA有多難，但英特爾并不為此退縮,。雖然沒(méi)有透露太多相關(guān)計(jì)劃的情況下,，Waxman提出了一些方法讓FPGA更容易被運(yùn)用和理解。

Waxman說(shuō)：“我們所擁有的是獨(dú)一無(wú)二的,，這是其他人不能給的,。那就是我們能夠了解這些工作負(fù)載和能夠推動(dòng)加速的能力。

“我們看到一條促進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí),，加速存儲(chǔ)加密,，加速網(wǎng)絡(luò)功能的捷徑”，Waxman強(qiáng)調(diào),。這是基于我們對(duì)這些工作負(fù)載的深入了解,，所以才讓我們看到了這樣的機(jī)會(huì)。

但現(xiàn)在FPGA還需要面對(duì)一些困難，因?yàn)楝F(xiàn)在人們是寫RTL的,。我們是一家寫RTL的公司,，所以我們可以解決這個(gè)問(wèn)題。首先我們使它運(yùn)作,，然后我們可以降低進(jìn)入的門檻,。第三步是真正的規(guī)模經(jīng)濟(jì)學(xué)，而這全部是靠集成和制造的實(shí)力,。

為了解決這些障礙,，我們提供了一系列的方法。

X86+FPGA?

對(duì)于那些英特爾打算用FPGA來(lái)代替Xeons的猜測(cè),，Waxman表示這是一派胡言,。

Waxman表示，對(duì)于那些對(duì)高速率和重復(fù)性有強(qiáng)烈需求的算法,，具有先天優(yōu)勢(shì)的FPGA就是其最好的選擇,。而那些對(duì)延遲有極高需求的數(shù)據(jù)操作和轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA也是候選人,。

考慮到Altera已經(jīng)在一個(gè)SoC上集成了ARM處理器和FPGA,，這很自然地會(huì)想到英特爾會(huì)試圖用X86內(nèi)核全面替換ARM內(nèi)核來(lái)做類似的設(shè)備。但它看起來(lái)不像這會(huì)發(fā)生,。

首先,，在2016年第二季度英特爾財(cái)務(wù)聲明會(huì)上，Krzanich承諾,，英特爾將加強(qiáng)對(duì)目前使用Altera的ARM-FPGA芯片客戶的支持,。

Waxman進(jìn)一步澄清：“我們的觀點(diǎn)是會(huì)以某種形式把FPGA集成到Xeon里。我們已經(jīng)公開(kāi)宣布將會(huì)打造第一代使用這種單一封裝的設(shè)備,，但是我們將根據(jù)進(jìn)展情況調(diào)整方向,，甚至可能會(huì)在同一個(gè)die上實(shí)現(xiàn)。我們將根據(jù)客戶的反饋了解什么是正確的組合,。

順便說(shuō)一下,，我仍然期待看到?jīng)]有集成的系統(tǒng)，保持他們會(huì)做系統(tǒng)級(jí)的協(xié)同,。我們不會(huì)將Xeon與FPGA以多種方式組合集成,，反之我們會(huì)在市場(chǎng)上找到正確的目標(biāo)和平衡?！?/p>

編程問(wèn)題首當(dāng)其沖

雖然Altera的工具集利用OpenCL編程模型獲得應(yīng)用程序代碼，并將其轉(zhuǎn)換為RTL(FPGA的原生語(yǔ)言),，但是有趣的是,，英特爾并不認(rèn)為FPGA在數(shù)據(jù)中心的未來(lái)成功是基于OpenCL與RTL工具集成的改進(jìn)或更廣泛地采用OpenCL。

Waxman也強(qiáng)調(diào)地說(shuō)：“這并不是以O(shè)penCL為基礎(chǔ)的?！彪m然我們確實(shí)把OpenCL看作是進(jìn)一步擴(kuò)大FPGA應(yīng)用范圍的一個(gè)途徑,，但目前FPGA的初始云端部署可能由更具能力的公司完成，但他們并沒(méi)有要求我們提供OpenCL,。Waxman補(bǔ)充說(shuō),。

Waxman在不能“自由”地談?wù)摰那闆r下，暗示英特爾有計(jì)劃使FPGA更容易編程,。他表示Intel將會(huì)為程序員提供RTL庫(kù),，方便他們調(diào)用在FPGA上部署的例程，并推動(dòng)在其上執(zhí)行應(yīng)用程序的gate的形成,，來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序例程的gate,，而不是讓他們自己創(chuàng)建例程。這有一定的意義,，與Convey(現(xiàn)在是美光科技的一個(gè)部門)幾年前用FPGA加速系統(tǒng)處理的方案一樣,。

Waxman說(shuō)：“我認(rèn)為有一個(gè)連續(xù)的加速。在一開(kāi)始,，你可能不知道你正在試圖加速什么,，只是做了一些嘗試，因此在這個(gè)階段加速,，你想要的是一個(gè)更通用的目的,。當(dāng)你開(kāi)始真正地想要加速的時(shí)候，你會(huì)想要更高效的,，更低的功耗和更少的空間,，這時(shí)你就會(huì)把焦點(diǎn)移到FPGA上?！?/p>

Waxman還引用了Microsoft在其“Catapult”系統(tǒng)上使用FPGA加速的方案來(lái)說(shuō)明,。

該系統(tǒng)采用其Open Cloud  Server并添加FPGA夾層卡作為加速器。我們?cè)?月份研究了這個(gè)項(xiàng)目,，將這些加速器應(yīng)用在Google上執(zhí)行相同的圖像識(shí)別訓(xùn)練算法,，得出的結(jié)果顯示，25瓦的FPGA器件相對(duì)于使用Nvidia  Tesla K20 GPU加速器(235瓦特)的服務(wù)器,，提高了更好的性能/瓦特,。

正如我們所說(shuō)，我們對(duì)于微軟和Google發(fā)布的性能數(shù)據(jù)毫無(wú)疑問(wèn),。但是對(duì)分立的GPU或FPGA執(zhí)行應(yīng)用性能和對(duì)自身的熱配置文件進(jìn)行測(cè)量都是不公平的,。你必須在服務(wù)器節(jié)點(diǎn)級(jí)別上看到這一點(diǎn)。

如果意識(shí)到這點(diǎn),，得到FPGA輔助的Microsoft服務(wù)器在系統(tǒng)級(jí)只稍稍領(lǐng)先于用Tesla  K20s的Google服務(wù)器,。(這些只是我們基于每秒每瓦特圖像處理性能的估計(jì)),。在這個(gè)對(duì)比中，Microsoft應(yīng)該不考慮成本,。而且坦白說(shuō),，不同于什么都配備的Tesla  GPU，微軟開(kāi)放云端服務(wù)器并沒(méi)有使用Juice或Cooling,。真正的評(píng)測(cè)怎么都會(huì)使用GPU夾層卡,，同時(shí)還需要考慮熱量，性能和價(jià)格等因素,。

但是Waxman討論的重點(diǎn)仍然是那個(gè),。“在某個(gè)時(shí)候,，你真的很想要那個(gè)能給你驚喜,，并且能做到更低功耗的方案。而這就是我們的FPGA方案所擅長(zhǎng)的方面,?！?/p>

云端業(yè)務(wù)

最后要考慮的是英特爾的云端業(yè)務(wù)。這些客戶現(xiàn)在占據(jù)了他們數(shù)據(jù)中心集團(tuán)收入的25%,。

整體來(lái)看,，他們的購(gòu)買量每年增長(zhǎng)約25%。預(yù)計(jì)從2016年開(kāi)始,，未來(lái)幾年整體數(shù)據(jù)中心集團(tuán)業(yè)務(wù)都將增長(zhǎng)15%,。讓我們做一些計(jì)算。

如果英特爾的計(jì)劃如期實(shí)施,，他的數(shù)據(jù)中心集團(tuán)2016年收益將會(huì)達(dá)到166億美元,。云端服務(wù)提供商(其中包括在The Next  Platform上使用我們的語(yǔ)言的云端構(gòu)建者和超大規(guī)模計(jì)算者)占大約41億美元，其余歸屬于英特爾數(shù)據(jù)中心,，銷售數(shù)據(jù)大約為125億美元,。因此，英特爾數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)在12%左右(除云端外),，是云端速率的一半,。英特爾需要以任何方式來(lái)滿足云端的增長(zhǎng)和明顯的FPGA需求，即使它只占用Xeon容量的一點(diǎn)點(diǎn),。對(duì)于英特爾來(lái)說(shuō)是這個(gè)的選擇比讓GPU加速持續(xù)增長(zhǎng)的方案要好,。

編程方面可能是阻礙FPGA被廣泛采用的一個(gè)主因(不像其他加速器，具有豐富的開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng),，如Nvidia  GPU的CUDA),。這就驅(qū)動(dòng)程序員去基于C語(yǔ)言去做擴(kuò)展設(shè)計(jì)，或使用OpenCL,，而不是用過(guò)去困擾FPGA開(kāi)發(fā)的低級(jí)模型,。但即使在應(yīng)用的過(guò)程中有這么多里程碑,，F(xiàn)PGA仍然不被主流青睞,。我們將會(huì)探索解決編程問(wèn)題的方法和機(jī)會(huì),。

雖然我們已經(jīng)與這個(gè)相對(duì)較小的生態(tài)系統(tǒng)中的許多供應(yīng)商(包括Altera和Xilinx，兩個(gè)主要供應(yīng)商)進(jìn)行了交流,，但按照FPGA長(zhǎng)期研究員Russell  Tessier所說(shuō),，F(xiàn)PGA在更廣闊的市場(chǎng)上大展拳腳的日子還在前面，新的發(fā)展意味著更廣泛的采用,。

他在馬薩諸塞大學(xué)(他還在Altera工作,，并且Mentor  Graphics收購(gòu)的虛擬機(jī)工程的創(chuàng)始人)研究了FPGA二十多年，他認(rèn)為FPGA從科學(xué)項(xiàng)目到企業(yè)應(yīng)用的形勢(shì)正式緩變化,。他認(rèn)為其中的關(guān)鍵是來(lái)自于設(shè)計(jì)工具的改進(jìn),，設(shè)計(jì)人員不斷提高他們?cè)O(shè)計(jì)高水平。除此與外,，工具vendor可以更好地引導(dǎo)芯片發(fā)展,。他補(bǔ)充說(shuō)，設(shè)備內(nèi)的大量邏輯量意味著用戶能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能,，這使得FPGA對(duì)更多領(lǐng)域更廣泛的吸引力,。

Tessier說(shuō)：“在過(guò)去幾年里，F(xiàn)PGA的一個(gè)明顯趨勢(shì)就是這些設(shè)備更容易“程序化”,。

Xilinx目前鼓勵(lì)使用其Vivado產(chǎn)品的時(shí)候,，用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。Altera還有一個(gè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)的OpenCL環(huán)境,。關(guān)鍵是兩家公司都在試圖創(chuàng)建一個(gè)環(huán)境,，讓用戶可以使用更熟悉的編程(如C和OpenCL)，而不必是使用RTL設(shè)計(jì)專家所擅長(zhǎng)的Verilog或VHDL,。雖然在過(guò)去幾年里取得不錯(cuò)的成績(jī),，但這仍然處于推進(jìn)的階段，不過(guò)這將有助于把更多的事情地移入主流,。

其中一個(gè)對(duì)FPGA真正有利的因素就是如果將其和芯片搭配使用,，建立一個(gè)快速的內(nèi)部互聯(lián)，它能解決memory和數(shù)據(jù)移動(dòng)中的限制,。這種優(yōu)勢(shì)就是吸引Intel收購(gòu)Altera的主要誘因,。另外，如果像英特爾和IBM這樣的大公司能夠積極推動(dòng)FPGA的軟件生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè),，其應(yīng)用市場(chǎng)將會(huì)迅速擴(kuò)張,。FPGA的主流化(至少現(xiàn)在沒(méi)有GPU那么重要，)可能會(huì)更快地出現(xiàn),。

Tessier解釋：“標(biāo)準(zhǔn)核心處理器集成的增加肯定是關(guān)鍵所在,。過(guò)去的障礙是語(yǔ)言和工具,，隨著這些障礙越來(lái)越少，為芯片供應(yīng)商新的合作機(jī)會(huì)打開(kāi)了一扇門,。由于這些和其他“主流化”趨勢(shì)出現(xiàn),，不斷做出的改變的FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)增長(zhǎng)。例如,，金融服務(wù)商店是第一個(gè)使用FPGA進(jìn)行財(cái)務(wù)趨勢(shì)和股票選擇分析的用戶,，但使用案例正在擴(kuò)大。現(xiàn)在有更強(qiáng)的設(shè)備可以解決更大的問(wèn)題,。

更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

除此之外,，F(xiàn)PGA通過(guò)的其他新領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新用途，包括DNA測(cè)序,，安全性,，加密和一些關(guān)鍵的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。

當(dāng)然,，我們希望FPGA變得強(qiáng)大,，并“進(jìn)入”世界上最大的云端和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，Xilnix數(shù)據(jù)中心部門副總裁Hamant  Dhulla對(duì)此表示強(qiáng)烈贊同,。他在2016年初,，他告訴The Next Platform，  “異構(gòu)計(jì)算已經(jīng)不再是一種趨勢(shì),，而是現(xiàn)實(shí)”,，也就是在那個(gè)時(shí)候，微軟推出了使用FPGA的Catapult案例(現(xiàn)在就很多或以后會(huì)很多),，英特爾收購(gòu)了Altera以及看到了更多FPGA將廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的聲明,。

從機(jī)器學(xué)習(xí)，高性能計(jì)算,，數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域,，F(xiàn)PGA在更多樣化的應(yīng)用領(lǐng)域中嶄露頭角。這些都與FPGA上嵌入了越來(lái)越多可用的on-chip存儲(chǔ)器有關(guān),，這些都是FPGA制造商和潛在終端用戶所期待的,。  Dhulla表示，市場(chǎng)潛力足夠大,，讓Xilinx能夠調(diào)整其業(yè)務(wù)的方式,。  過(guò)去幾年，存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)了FPGA用戶群,。但未來(lái)五年內(nèi),，計(jì)算端的需求將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)，并都將沿著穩(wěn)定的增長(zhǎng)線繼續(xù)發(fā)展,。

在FPGA其他的熱門領(lǐng)域(包括機(jī)器學(xué)習(xí)),，它們的更像是一個(gè)帶有GPU  的“協(xié)作”加速器,。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)于許多機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載的訓(xùn)練部分,，GPU是主要的,。因此為這里需要很多計(jì)算能力，就像HPC一樣,，其中power envelope  tradeoff值得的,。但是這些客戶購(gòu)買了數(shù)十或數(shù)百個(gè)GPU，而不是數(shù)十萬(wàn)個(gè),，龐大的加速器數(shù)目正使用在機(jī)器學(xué)習(xí)pipeline的推理部分，這就是市場(chǎng)所在,。

正如我們指出的,，Nvidia正在使用兩個(gè)獨(dú)立的GPU(用M4來(lái)訓(xùn)練，更低功耗的M4插入來(lái)削減服務(wù)器)來(lái)抵消這一點(diǎn),，但Dhulla認(rèn)為FPGA仍然能夠通過(guò)采用PCIe方法降低功耗,，也可以嵌入超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心。

他們的SDAccel編程環(huán)境通過(guò)提供對(duì)C,，C ++和OpenCL的高級(jí)接口,，使其更實(shí)用，但是推動(dòng)超大規(guī)模和HPC采用的真正途徑是通過(guò)最終用戶示例,。

當(dāng)涉及到這些早期的用戶,，就像為下一代的FPGA的應(yīng)用搭建了舞臺(tái)，Dhulla指向像Edico  Genome這樣的公司,。Xilinx目前還與其他領(lǐng)域的客戶合作,，包括石油和天然氣和金融方面的歷史計(jì)算方面。早期客戶將Xilinx  的FPGA應(yīng)用在機(jī)器學(xué)習(xí),，圖像識(shí)別和分析以及安全性方面,，這可以看作他們計(jì)算加速業(yè)務(wù)發(fā)展的第一步。

盡管雙精度性能和總體價(jià)格不佳,，F(xiàn)PGA的真正的大規(guī)模應(yīng)用機(jī)會(huì)在于云端,。因?yàn)镕PGA可以提供GPU所不能提供的優(yōu)勢(shì)。如果FPGA供應(yīng)商能夠說(shuō)服其最終用戶,，他們的加速器可以提供相當(dāng)大的性能提升(在某些情況下他們會(huì)這樣做)給關(guān)鍵的工作負(fù)載,。提供一個(gè)通過(guò)帶有其他加速器(例如CUDA)的complexity-wise的編程環(huán)境推進(jìn)OpenCL開(kāi)發(fā)，通過(guò)在云端中提供FPGA來(lái)解決價(jià)格問(wèn)題,。這可能是一個(gè)新的希望,。

當(dāng)然，這種希望來(lái)源于將FPGA部署到有超密集服務(wù)器云端架構(gòu)內(nèi),，而不是在單機(jī)的銷售上,。這種模式已經(jīng)在FPGA的金融服務(wù)中發(fā)生,。

正如他們GPU加速器“伙伴”圍繞深度學(xué)習(xí)進(jìn)行拉動(dòng)，以便迅速得到更多的用戶,，  FPGA設(shè)備在探索一個(gè)通過(guò)解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的問(wèn)題的方式找尋入侵市場(chǎng)的真正的機(jī)會(huì),。

新的應(yīng)用程序主機(jī)意味著新的市場(chǎng)，隨著云端應(yīng)用的推廣消除了一些管理開(kāi)銷,，它可能意味著更廣泛的采用,。FPGA供應(yīng)商努力推動(dòng)它在一些關(guān)鍵的機(jī)器學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和搜索方面的應(yīng)用,。FPGA在諸如自然語(yǔ)言處理,，醫(yī)學(xué)成像，深度數(shù)據(jù)檢測(cè)等領(lǐng)域中的超大規(guī)模上下文中變得越來(lái)越普遍,。

在過(guò)去一年里,，F(xiàn)PGA的多種應(yīng)用得到曝光，特別是在深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，以及圖像識(shí)別和自然語(yǔ)言處理等領(lǐng)域,。例如，微軟使用FPGA在1,，632個(gè)節(jié)點(diǎn)上提供2倍的搜索服務(wù),，并采用創(chuàng)新的高吞吐量網(wǎng)絡(luò)來(lái)支持Altera  FPGA驅(qū)動(dòng)的工作。中國(guó)的搜索引擎巨頭百度(也是許多深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)GPU用戶)正在用FPGA執(zhí)行存儲(chǔ)控制,，其每天的數(shù)據(jù)吞吐量在100TB到1PB之間,。

使用FPGA的大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和其他領(lǐng)域的應(yīng)用正在吸引人們對(duì)FPGA的單精度浮點(diǎn)性能的更多關(guān)注。

雖然一些案例使用(包括百度示例),，將GPU作為計(jì)算加速器和FPGA用在存儲(chǔ)端,，但Altera，Xilnix,，Nallatech和IBM的研究人員在OpenPower聯(lián)盟展示了FPGA在云端深度學(xué)習(xí)的光明前景,。

可以說(shuō)現(xiàn)在屬于FPGA的一個(gè)黃金時(shí)代。