從FPGA到ACAP，“萬(wàn)能芯片” 的華麗轉(zhuǎn)身

讓時(shí)光倒退回到 2015 年，這一年 2 月份，FPGA 龍頭企業(yè)賽靈思(Xilinx）發(fā)布了業(yè)界首款 16nm 工藝的 FPGA 產(chǎn)品——UltraScale+系列 FPGA，在 FPGA 領(lǐng)域風(fēng)光無(wú)兩。同年 6 月份，當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體行業(yè)龍頭英特爾宣布以 167 億美元收購(gòu) Altera。此后，人們給賽靈思設(shè)計(jì)出無(wú)數(shù)種前途，可是考慮到當(dāng)年 50 億美元的 FPGA 市場(chǎng)，大家都覺得這是一場(chǎng)實(shí)力懸殊的競(jìng)爭(zhēng)。

把目光拉回到當(dāng)下，翻看今天的賽靈思官網(wǎng)，如果單看 FPGA 產(chǎn)品，賽靈思似乎沒有什么進(jìn)步，因?yàn)?FPGA 產(chǎn)品工藝沒有精進(jìn)，豐富的是合作伙伴和開發(fā)支持工具。作為“摩爾定律”的倡導(dǎo)者，英特爾則在 FPGA 上依然在宣講先進(jìn)工藝的重要性，14nm 的 FPGA 產(chǎn)品和 10nm 的 FPGA 產(chǎn)品計(jì)劃都公諸于世。不過需要注意的是，現(xiàn)在 FPGA 依然是一個(gè)小市場(chǎng)，結(jié)合中國(guó)報(bào)告網(wǎng)的數(shù)據(jù)來(lái)看，2017 年全球 FPGA 市場(chǎng)份額只有 67.5 億美元，放到 4204 億美元的半導(dǎo)體市場(chǎng)里，規(guī)模太小了。如果是一家僅有 FPGA 產(chǎn)品的公司，吃掉整個(gè)市場(chǎng)后相對(duì)于英特爾來(lái)說也不夠大。

FPGA 被譽(yù)為“萬(wàn)能芯片”，能量就只有這么一點(diǎn)？當(dāng)然不是的。目前 FPGA 在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域已經(jīng)得到認(rèn)可，采用 FPGA 的加速卡解決方案成為數(shù)據(jù)中心的首選。而人工智能通過深度學(xué)習(xí)算法在認(rèn)知智能和推理智能上遇到難題，擅長(zhǎng)推理的 FPGA 被寄予厚望。賽靈思如何借助這一歷史性的機(jī)遇實(shí)現(xiàn)跳躍性發(fā)展呢？答案在 10 月 16 日的 2018 賽靈思 XDF（賽靈思開發(fā)者）大會(huì)上揭曉了。

數(shù)據(jù)中心優(yōu)先
目前，各行各業(yè)的數(shù)據(jù)在源源不斷產(chǎn)生，數(shù)據(jù)中心需要越來(lái)越多的存儲(chǔ)設(shè)備承載數(shù)據(jù)，同時(shí)也要通過大量計(jì)算將無(wú)序的數(shù)據(jù)加以提取，形成有用信息，從而服務(wù)于人們的生活。面對(duì)海量的數(shù)據(jù)分析，只憑借 CPU 來(lái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足需求，因此設(shè)計(jì)人員想到為數(shù)據(jù)中心加速。而可供選擇的加速方案有兩個(gè)，一個(gè)是專用的 ASIC，一個(gè)是 FPGA。FPGA 相比其他芯片，最大的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在低延遲性、可編程性、低功耗，這是數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的剛需。

數(shù)據(jù)中心是 FPGA 繼通信領(lǐng)域后又一大殺手級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域。在數(shù)據(jù)中心解決方案上，F(xiàn)PGA 不再僅僅是 FPGA，而是加速卡中的加速解決方案。

在英特爾 10nm“難產(chǎn)”的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，賽靈思的產(chǎn)品走到了前面。開發(fā)者大會(huì)上，賽靈思總裁及首席執(zhí)行官 Victor Peng 宣布賽靈思將進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)型之后將采取數(shù)據(jù)中心優(yōu)先戰(zhàn)略。伴隨而來(lái)的還有一個(gè)重磅的新品——Versal ACAP。

賽靈思總裁及首席執(zhí)行官 Victor Peng

為什么叫 ACAP？Victor Peng 解釋說：“ACAP 是可擴(kuò)展的一體化程度非常高的計(jì)算平臺(tái)，硬件和軟件都是可編程，所以縮寫為 ACAP。”

從介紹材料了解到，Versal 產(chǎn)品組合基于臺(tái)積電（TSMC）的 7 nm FinFET 工藝技術(shù)，是第一個(gè)將軟件可編程性與特定領(lǐng)域硬件加速和靈活應(yīng)變能力相結(jié)合的平臺(tái)。該產(chǎn)品組合包括 6 個(gè)系列的器件，其獨(dú)特架構(gòu)針對(duì)云端、網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信乃至邊緣計(jì)算和端點(diǎn)等不同市場(chǎng)的眾多應(yīng)用提供了可擴(kuò)展性和 AI 推斷功能。

Versal 系列產(chǎn)品將于 2019 年下半年上市。有了 Versal 系列產(chǎn)品，賽靈思在產(chǎn)品工藝和性能上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超越，無(wú)論英特爾如何稱贊自己的 10nm 工藝，臺(tái)積電的 7nm 都更被認(rèn)可，何況英特爾 10nm“難產(chǎn)”了。

除了基于臺(tái)積電先進(jìn)的 7nm 工藝打造的 Versal ACAP，顯示賽靈思產(chǎn)品改變的還有一款已經(jīng)量產(chǎn)的產(chǎn)品——Alveo。Victor Peng 通過三點(diǎn)解讀了這款加速卡的特殊性，第一是速度快；第二是架構(gòu)和算法靈活多變；第三是容易訪問、易于使用。

Victor Peng 介紹 Alveo

對(duì)英特爾產(chǎn)生威脅的除了產(chǎn)品之外還有產(chǎn)品背后的平臺(tái)和生態(tài)。在開發(fā)者大會(huì)上，Victor Peng 表示，賽靈思已經(jīng)不再是一家 FPGA 企業(yè)，而是一家平臺(tái)公司，并且要超越 FPGA 來(lái)開發(fā)整個(gè)平臺(tái)。Alveo 有一個(gè)很廣泛的生產(chǎn)系統(tǒng)和合作伙伴 ISA，包括數(shù)據(jù)庫(kù)的加速、數(shù)據(jù)分析，視頻處理、金融服務(wù)、機(jī)器學(xué)習(xí)，已經(jīng)有 14 個(gè)應(yīng)用合作伙伴為 Alveo 平臺(tái)開發(fā)。

此外，在會(huì)上開發(fā)者們也看到了華為、浪潮基于賽靈思的 FPGA 打造自己的加速卡產(chǎn)品。

FPGA 在人工智能推理上的“天賦異稟”
賽靈思實(shí)現(xiàn)跳躍式發(fā)展還有一個(gè)機(jī)會(huì)是人工智能。分析師們認(rèn)為 FPGA 是人工智能推理時(shí)代的“GPU”，背后的巨頭公司將成為下一個(gè)英偉達(dá)。賽靈思軟件及 IP 產(chǎn)品執(zhí)行副總裁 Salil Raje 指出：“今后 AI 模型必須應(yīng)用在云端和邊緣的模型上，所以未來(lái)的模式更多的是推斷，而不是訓(xùn)練。賽靈思關(guān)注的就是推斷。”

賽靈思軟件及 IP 產(chǎn)品執(zhí)行副總裁 Salil Raje

GPU 在人工智能的感知智能和認(rèn)知智能前期獲得了巨大的成功，英偉達(dá)也借此實(shí)現(xiàn)公司股價(jià)的水漲船高。隨著認(rèn)知智能的發(fā)展和推理智能的到來(lái)，GPU 數(shù)據(jù)并行的體系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了弊端，流水線并行的 FPGA 擁有更低的延遲特性。Salil Raje 提到：“對(duì) CPU 和 GPU 而言，內(nèi)存的帶寬非常關(guān)鍵，內(nèi)存就是一個(gè)瓶頸，對(duì)于大的結(jié)果來(lái)說，希望能夠一次上載和下載。CPU 和 GPU 通過批量可以做高吞吐量或者是低延遲，但是沒有辦法兩者兼顧。FPGA 獲得高通量的方式是通過自定義數(shù)據(jù)流、自定義內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)和自定義精度來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以有高吞吐量，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)低延遲。”

同時(shí)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐量和低時(shí)延，加上 FPGA 現(xiàn)場(chǎng)可編程的特性，其在人工智能推理階段的前途被廣泛看好。

因此，賽靈思將戰(zhàn)略中心轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)上，拼的是 FPGA 的現(xiàn)在，廣泛關(guān)注人工智能推理則是押注未來(lái)。在數(shù)據(jù)洪流和人工智能推理時(shí)代的 FPGA 是沒有人敢小覷的，在 FPGA 深耕多年的賽靈思也就更無(wú)人敢忽視。正如 Victor? Peng 所言：“我們起點(diǎn)很低，只要大家有熱情、有準(zhǔn)備，而且有非常高遠(yuǎn)的目標(biāo)，隨著時(shí)間的推移，我們就能夠?qū)崿F(xiàn)非常了不起的結(jié)果?！?br /> ?

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