可重構(gòu)/異構(gòu)計(jì)算能否助力國(guó)產(chǎn)芯片快速發(fā)展？

在傳統(tǒng)CPU以外，現(xiàn)在業(yè)界又興起了可重構(gòu)計(jì)算的風(fēng)潮。近期Intel便與清華簽訂了合作協(xié)議，號(hào)稱(chēng)將結(jié)合Intel在處理器上的優(yōu)勢(shì)與清華在可重構(gòu)計(jì)算上的前沿成果研發(fā)下一代芯片，并共享知識(shí)產(chǎn)權(quán)。而前陣子又有號(hào)稱(chēng)全球首款完

可重構(gòu)計(jì)算(Reconfigurable Computing，RC)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是利用FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)計(jì)算任務(wù).異構(gòu)計(jì)算技術(shù)從80年代中期產(chǎn)生，由于它能經(jīng)濟(jì)有效地獲取高性能計(jì)算能力、可擴(kuò)展性好、計(jì)算資源利用率高、發(fā)展?jié)摿薮螅壳耙殉蔀椴⑿?分布計(jì)算領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。

全支持異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)的“華夏芯”橫空出世，一時(shí)間異構(gòu)計(jì)算和可重構(gòu)計(jì)算的概念讓人眼花繚亂。在國(guó)產(chǎn)芯加速前進(jìn)的背景下，異構(gòu)計(jì)算和可重構(gòu)計(jì)算會(huì)是國(guó)產(chǎn)芯的機(jī)會(huì)嗎?

通用計(jì)算與可重構(gòu)/異構(gòu)計(jì)算的聯(lián)系和區(qū)別

要想看清楚新概念，就要先明了老概念。可重構(gòu)/異構(gòu)計(jì)算到底新穎在哪里，要首先看看它們的同伴“通用計(jì)算”。

所謂通用計(jì)算，就是追求普適性的覆蓋面。在這個(gè)理念下誕生的芯片從功能上來(lái)講擁有最廣闊的適用范圍，最典型的例子就是今天的中央處理器(CPU)芯片，絕大多數(shù)應(yīng)用程序的絕大部分功能依賴(lài)于它。

一般來(lái)說(shuō)，CPU的設(shè)計(jì)是面向所有應(yīng)用，評(píng)估CPU的性能指標(biāo)時(shí)通常需要選取門(mén)類(lèi)龐雜的各種測(cè)試程序，同時(shí)只為極少的重點(diǎn)應(yīng)用加上一定程度的專(zhuān)門(mén)優(yōu)化，例如時(shí)下熱門(mén)的加密解密，視音頻編解碼等等。

與通用計(jì)算相對(duì)的就是專(zhuān)用計(jì)算，專(zhuān)門(mén)針對(duì)一些場(chǎng)合進(jìn)行專(zhuān)門(mén)優(yōu)化，性能/功耗等指標(biāo)通常比通用CPU有數(shù)量級(jí)的提高，但是適用面很窄，在規(guī)定的適用面以外就遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于CPU。

通用和專(zhuān)用的關(guān)系就如同什么都懂一些但是基本上什么都不精的“通才”，和在個(gè)別領(lǐng)域鉆研極深但是其他領(lǐng)域幾乎一無(wú)所知的“偏才”。

在CPU的技術(shù)指標(biāo)增長(zhǎng)逐步放緩的今天，若要提供更好的表現(xiàn)，一個(gè)直觀的點(diǎn)子就是物盡其用，讓“偏才”處理它最擅長(zhǎng)的事情，并招來(lái)多種專(zhuān)長(zhǎng)不同的 “偏才”來(lái)照顧多種重點(diǎn)事務(wù)，其他事情則交給“通才”去完成。一個(gè)系統(tǒng)里面存在一個(gè)“通才”和多種“偏才”，這就是異構(gòu)計(jì)算，是通用計(jì)算和專(zhuān)用計(jì)算的“合體進(jìn)化“。

那么可重構(gòu)計(jì)算是什么?讓芯片擁有重構(gòu)自身的能力，從而能像干細(xì)胞一樣一身才藝，能夠適應(yīng)各種不同場(chǎng)合的需要，這就是可重構(gòu)計(jì)算。

這一概念的歷史至少可以追溯到上世紀(jì)80年代，xilinx設(shè)計(jì)出第一塊基于SRAM的可重構(gòu)芯片的時(shí)候。這種芯片里面的基本器件和線路上都配置了大量的開(kāi)關(guān)，這些開(kāi)關(guān)的關(guān)斷由與之相連的SRAM單元來(lái)控制，只要往這些SRAM單元里面寫(xiě)入0和1就能控制這些組件的開(kāi)關(guān)和連通，從而像搭積木一樣在原來(lái)不存在計(jì)算部件的地方拼出大量按需定制的計(jì)算部件，使得計(jì)算性能產(chǎn)生爆發(fā)性的變化。這種芯片被稱(chēng)為FPGA，被廣泛用于CPU流片前的驗(yàn)證工作。

那么可重構(gòu)計(jì)算和通用計(jì)算\專(zhuān)用計(jì)算又是什么關(guān)系呢?看上去可重構(gòu)計(jì)算可以替代通用計(jì)算，實(shí)則不然。由于FPGA芯片底層實(shí)現(xiàn)方式的限制，這種由 SRAM控制組織結(jié)構(gòu)的做法在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后基于ASIC的CPU，只有在一些特定場(chǎng)合下，F(xiàn)PGA才能夠?qū)崿F(xiàn)反超，因此，可重構(gòu)計(jì)算便落入了專(zhuān)用計(jì)算的范疇，與異構(gòu)計(jì)算同列。它和異構(gòu)計(jì)算雖然起源不同，但是二者眼下的目標(biāo)在很大程度上是重疊的，也就是，從傳統(tǒng)通用計(jì)算的霸主——CPU嘴里搶食。

群雄割據(jù)的亂局：通用碰撞專(zhuān)用，CPU碰撞加速器/FPGA

眾所周知，Intel在CPU上的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)形成事實(shí)上的壟斷，x86指令集授權(quán)和Intel的技術(shù)優(yōu)勢(shì)讓其他公司已經(jīng)很難染指CPU市場(chǎng)。而大家瞄準(zhǔn)的突破口，就在專(zhuān)用計(jì)算上。

作為被Intel常年壓制的公司，AMD對(duì)異構(gòu)計(jì)算的推動(dòng)尤其熱心，不僅早早地將自己旗下的CPU產(chǎn)品重命名成APU(有直譯作加速處理器，也有意譯作融合處理器)，而且還成立了一個(gè)HSA(異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu))基金會(huì)，拉了ARM、Imagination、聯(lián)發(fā)科、德州儀器、三星、聯(lián)發(fā)科等眾多一線大廠一同上陣，主推一個(gè)叫做OpenCL的異構(gòu)編程框架。

光從這一局部態(tài)勢(shì)來(lái)看，應(yīng)該稱(chēng)贊AMD下了一步好棋，但是AMD還有另外一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 NVIDIA。NVIDIA的主營(yíng)業(yè)務(wù)GPU，是異構(gòu)計(jì)算這桿大旗下呼聲最高的異構(gòu)處理部件。也是對(duì)CPU地位威脅最大的，以至于在異構(gòu)計(jì)算這個(gè)大概念下還催生了些個(gè)附屬的小概念如“GPU計(jì)算”、“GPU編程”，早幾年GPU計(jì)算還比較新奇的時(shí)候，還發(fā)生過(guò)Intel惱怒于NVIDIA肆意鼓吹GPU的并行優(yōu)勢(shì)，公開(kāi)發(fā)文撕逼的事情。盡管Intel一直在提高CPU的SIMD能力、從而壓縮GPU的性能優(yōu)勢(shì)，但是迄今為止頂尖GPU在實(shí)踐中對(duì)付頂尖 CPU仍然能取得2-3倍或者更高的性能。NVIDIA為自家的GPU打造了另一個(gè)異構(gòu)編程框架CUDA，專(zhuān)門(mén)與OpenCL唱對(duì)臺(tái)戲，而且呼聲更高，至少在高性能計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)形成了對(duì)OpenCL的壓制態(tài)勢(shì)。

這么一看，是AMD螳螂捕蟬，NVIDIA黃雀在后，然而，還有彈丸在其下。前面提到，F(xiàn)PGA也被證明在一些專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域具備對(duì)CPU的性能優(yōu)勢(shì)，而 FPGA取得性能優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域也多是并行性比較好的，這也剛好是GPU的長(zhǎng)處，這就與 GPU打架了。例如微軟等公司就已經(jīng)為自己的數(shù)據(jù)中心加上了FPGA，使用OpenCL進(jìn)行編程，這樣一來(lái)GPU又面臨著被挖墻腳的窘境。

瞄準(zhǔn)可重構(gòu)/異構(gòu)領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)芯能殺得進(jìn)去嗎?

從格局上來(lái)講，專(zhuān)用計(jì)算主要弱點(diǎn)是應(yīng)用場(chǎng)合有限，且GPU和FPGA存在互相競(jìng)爭(zhēng)。Intel現(xiàn)有的處理器可以在除了低功耗以外幾乎任意場(chǎng)合下提供不錯(cuò)的性能，而可重構(gòu)/異構(gòu)計(jì)算的介入只是在一部分特定業(yè)務(wù)上再提供大幅加速 —— 這個(gè)應(yīng)用范圍就決定了可重構(gòu)/異構(gòu)計(jì)算不可能替代中央處理器現(xiàn)有的角色，而只是一些特定場(chǎng)合下的附庸，Intel的地位仍然無(wú)人能動(dòng)搖。因此，對(duì)于芯片自給率從30%提升至70%的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)來(lái)講，可重構(gòu)/異構(gòu)計(jì)算可以是其中漂亮的一塊拼圖，但是絕對(duì)無(wú)法擔(dān)主梁。

從商業(yè)上來(lái)講，可重構(gòu) /異構(gòu)計(jì)算的市場(chǎng)空間正在進(jìn)一步被Intel壓縮。Intel已經(jīng)于去年年底完成了對(duì)FPGA雙巨頭之一Altera的167億美元收購(gòu)，據(jù)報(bào)道內(nèi)建 FPGA模塊的新型xeon志強(qiáng)服務(wù)器處理器會(huì)在今年一季度面世，以Intel + Altera雙強(qiáng)聯(lián)合的體量來(lái)說(shuō)，可重構(gòu)市場(chǎng)的市場(chǎng)份額絕大部分肯定不容旁落，除非Intel在定價(jià)或者出貨時(shí)間等問(wèn)題上出現(xiàn)重大紕漏，國(guó)內(nèi)新興的這些尚處在襁褓期的可重構(gòu)計(jì)算公司將被迫在夾縫中求生存，這些公司的前景如何，很大程度上是受到Intel間接控制的，筆者對(duì)此較難看好。