改變世界的硬件加速技術(shù)

摘要：天下武功，無堅(jiān)不摧，唯快不破。武林中即使如此，電子行業(yè)亦是如此。

社會(huì)越來越先進(jìn)，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求也越來越高。在以前，長(zhǎng)途跋涉，幾天幾夜不足為奇，今天，旅程超過一天，這滋味也讓人苦不堪言。以前，PC軟件的進(jìn)度條帶給人期待。今天，進(jìn)度條卻給人帶來苦惱。Cpu!為什么你不能更快一點(diǎn)呢?

晶體管工藝已經(jīng)遵循摩爾定律半個(gè)世紀(jì)了，晶體管體積越來越小，集成度越來越高，功耗也越來越低，可為什么速度卻沒有同等程度的大幅度提升呢?

圖1

圖2

由上圖可以看出。晶體管的工藝越來越高，體積越來越小，然而晶體管的速度似乎已經(jīng)達(dá)到了極限。可以比較明確的看出，晶體管的開關(guān)最高速度穩(wěn)定在4G左右。這和當(dāng)前的Intel I7系列CPU速度基本吻合。想要超頻只能增加功耗(指數(shù)級(jí)功耗增長(zhǎng))和降低溫度，然而這兩種方式代價(jià)太大。

現(xiàn)在的軟件開銷越來越大，cpu主頻也無法提升，軟件加速算法也不能改變計(jì)算量巨大這一本質(zhì)，因此大規(guī)模的硬件加速得到的廣泛的運(yùn)用。

人類的機(jī)械設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電子設(shè)計(jì)其實(shí)都算的上是硬件加速，幫助人類提高生活，工作效率。在這里我要類介紹一下當(dāng)今社會(huì)炙手可熱的電子行業(yè)里的硬件加速。

1) 專用ASIC芯片加速

除了CPU之外。大部分帶處理能力的芯片，其實(shí)都算是專用芯片，為其特殊的功能而定制。就那大家最熟悉的芯片來說。顯卡芯片，大家都不陌生，專為顯示而生，由于當(dāng)前PC的顯示器像素越來越高，顯示效果也越來越復(fù)雜。想玩?zhèn)€大型游戲，想看個(gè)高清4k電影，工作中渲染個(gè)圖片。不得不配一個(gè)較好的顯卡，以解決顯示卡頓這一難題，聲卡同樣的道理。手機(jī)也是如此，手機(jī)的cpu，再結(jié)合大量專用IC實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)且功能強(qiáng)大的手機(jī)硬件系統(tǒng)。

圖3nvidia顯卡芯片

優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)用設(shè)計(jì)開發(fā)簡(jiǎn)單，開發(fā)收周期短，開發(fā)成本低。

缺點(diǎn)：功能單一，不易更換場(chǎng)合使用，非量產(chǎn)成本較高。

2) 多核并行處理

單個(gè)CPU不夠用，多個(gè)總夠了吧。多核的使用，最大的好處就是，線程真正的實(shí)現(xiàn)并行處理了。單個(gè)核各干各的，最后在集中處理。N核芯片卻不能帶來N倍的效率，如果軟件處理好的話也許每個(gè)核可以達(dá)到最高性能的70%，但往往，很難達(dá)到。手機(jī)性能吃緊的今天，安卓機(jī)也必須上多核，雙核，4核，8核，相信16核已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

來看看PC端，民用cpu普遍4核左右。服務(wù)器端，CPU最高可達(dá)80核!想想80線程并行處理，是不是有點(diǎn)小激動(dòng)，當(dāng)然這個(gè)錢會(huì)讓你更激。

圖4intel 80核服務(wù)器芯片

優(yōu)點(diǎn)：PCB設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性能大幅度提升，價(jià)格不算貴。

缺點(diǎn)：開發(fā)難度高，需要大量的官方支持，會(huì)浪費(fèi)很多無用資源。

3) 系統(tǒng)級(jí)硬件定制

專為系統(tǒng)定制設(shè)計(jì)IC。首先廠商設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，基本已經(jīng)確定IC的功能，以及定制軟件軟件所需的硬件環(huán)境。在所有參數(shù)都基本確定后再去為系統(tǒng)定制ASIC專用芯片。可以說是“硬件為軟件而生，同時(shí)軟件為硬件而生”。這樣開發(fā)能力，目前來看也只有蘋果可以做到。IPhone在硬件上并沒有超高的配置，但整個(gè)系統(tǒng)硬件只為定制的軟件工作，是的硬件的工作效率可以達(dá)到最高。蘋果手機(jī)快就快在這里，我們來看看蘋果表的芯片設(shè)計(jì)吧。

圖5蘋果表的硬件集成封裝

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)整體達(dá)到一個(gè)最精簡(jiǎn)的程度，將軟硬件做到極致。

缺點(diǎn)：開發(fā)難度太大，普通企業(yè)無法實(shí)現(xiàn)。

4) 通用到定制的轉(zhuǎn)變：FPGA

FPGA可編程芯片?？梢詾楹芏喾窍M(fèi)級(jí)產(chǎn)品，提供非常高的性價(jià)比。

來看看FPGA一般的用途：

圖6 CPU 與FPGA的功能描述

CPU像一個(gè)全能達(dá)人，什么事情都會(huì)，做什么都會(huì)很快。

FPGA像一群智商一般的普通人民，當(dāng)然有的FPGA里面也有那么幾個(gè)全能達(dá)人(自帶硬核)。

全能達(dá)人雖然強(qiáng)，但是只有他一個(gè)人。普通人民雖然若，但是人口基數(shù)大。一旦讓普通人民專注的做一件事情，速度當(dāng)然會(huì)比達(dá)人快很多(并行處理)。當(dāng)然普通民眾還會(huì)很多特別的技巧(有的高端FPGA會(huì)自帶很多高速模塊 LVDS，GTP等等)，這是達(dá)人無法學(xué)會(huì)的。

說回正題，在嵌入式，通信以及服務(wù)器市場(chǎng)，大部分處理器，在各自的設(shè)備中一直會(huì)執(zhí)行特定的操作。在處理大數(shù)據(jù)流時(shí)，可以獨(dú)立并行處理并搬運(yùn)。專用芯片，設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，環(huán)節(jié)多，投入高，周期長(zhǎng)。一旦出錯(cuò)，流片損失就是幾百萬美元起。FPGA實(shí)現(xiàn)各式各樣的功能，設(shè)計(jì)完畢即可調(diào)試，有錯(cuò)即改，沒有出錯(cuò)成本。

目前FPGA的運(yùn)用，已經(jīng)進(jìn)入大部分行業(yè)。(由于成本和功耗的原因，移動(dòng)終端行業(yè)無法進(jìn)入)，成為嵌入式行業(yè)當(dāng)中不可缺少的處理工具。由于FPGA 功能越來越強(qiáng)，芯片公司提供各種功能的算法，接口，存儲(chǔ)模塊，使FPGA開發(fā)更加簡(jiǎn)單。(但是開發(fā)，還是較復(fù)雜于軟件)

IC巨人Intel預(yù)見了未來。2015年第二大芯片行業(yè)并購(gòu)案。167億美元拿下Altera。Altera  是IC芯片利率唯一一家高過intel的芯片設(shè)計(jì)公司。Intel在確保獲利的前提下，也為自己的未來進(jìn)行了規(guī)劃。服務(wù)器行業(yè)需要各式各樣的處理算法來完成服務(wù)器的處理工作，然而不同的處理算法服務(wù)器的處理事務(wù)也不同。微軟BING，百度搜索引擎的服務(wù)器均采用FPGA板卡加速，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的搜素算法。處理速度提升兩倍，服務(wù)器數(shù)量降低一半。Intel 已經(jīng)開發(fā)了內(nèi)嵌FPGA的xeon至強(qiáng)服務(wù)器CPU，2016年即可量產(chǎn)，想必未來的服務(wù)器市場(chǎng)必將迎來一次大換血。

圖7采用FPGA定制的SRC Saturn服務(wù)器

優(yōu)點(diǎn)：開發(fā)速度快，性能強(qiáng)大，而且可以適合多種場(chǎng)景。功能靈活多變。

確定：開發(fā)難度大，F(xiàn)PGA芯片成本相對(duì)較高。

未來誰也說不準(zhǔn)，是專用，還是通用，高度集成，還是模塊化分割，時(shí)間會(huì)給我們答案。