FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

時間：2019-05-25 21:13:02

關(guān)鍵字： achronix asic FPGA 技術(shù)專訪

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[導(dǎo)讀]5月22日，Achronix宣布推出全新的 “FPGA+”系列產(chǎn)品Speedster7t FPGA，它究竟解決了哪些瓶頸？讓我們一探究竟。

如今，電子行業(yè)發(fā)展速度令人瞠舌，5G、AI、工業(yè)4.0、智能汽車一波又一波的應(yīng)用革新引領(lǐng)了“新浪潮”，但隨之帶來的就是巨量的計算、分析、處理量。數(shù)據(jù)顯示，2019年數(shù)據(jù)總量將達(dá)40ZB總量，如此龐大的潛在計算量，F(xiàn)PGA的小尺寸、低功耗以及高靈活性等特點(diǎn)恰與新興技術(shù)“不謀而合”。

FPGA巨大市場背后：難以逾越的瓶頸

據(jù)Semico統(tǒng)計，F(xiàn)PGA市場正在逐年增長，而復(fù)合年均增長率高達(dá)38.4%，至2023年將具有55億-60億美元的規(guī)模。Achronix Semiconductor 總裁兼首席執(zhí)行官Robert Blake表示對于FPGA近年的市場增長非常興奮，相信在龐大高速增長的市場中新產(chǎn)品將有出色的表現(xiàn)。

FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

據(jù)統(tǒng)計，約有25%的企業(yè)選擇入局AI/ML以保持企業(yè)自身的競爭力，未來兩年內(nèi)，將會有接近四分之三的企業(yè)會布局AI。而AI方面，算法仍在不斷演進(jìn)，數(shù)值精度選擇越來越多樣性，但僅依賴數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)變降低能耗的方法已接近瓶頸，市場需要更具有高效計算力、高效大帶寬的數(shù)據(jù)運(yùn)送能力、豐富儲緩存能力的最高能效比的廣適應(yīng)性平臺。

5月22日，Achronix宣布推出全新的 “FPGA+”系列產(chǎn)品Speedster7t FPGA，該產(chǎn)品采用臺積電（TSMC）7nm FinFET工藝打造。據(jù)介紹，該產(chǎn)品將FPGA與ASIC技術(shù)融合，兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)。

除此之外，Speedster7t FPGA具有革命性的新型二維片上網(wǎng)絡(luò)（2D NoC）和一系列針對高帶寬和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI / ML）應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的新型機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP）。另外，值得一提的是，Speedster7t FPGA還具有滿足未來AI/ML需求所需的超高帶寬接口，包括400G以太網(wǎng)端口、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜CI Express Gen5端口以及用于業(yè)界最靈活、低成本、高帶寬存儲的GDDR6控制器。

利用四個架構(gòu)代系的硬件和軟件開發(fā)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新和積淀，客戶可以擁有更快的設(shè)計周期、更好的設(shè)計表現(xiàn)，另外，還可以降低設(shè)計中的風(fēng)險、減少所需設(shè)計面積。

Blake表示：“我們正處于智能化、自學(xué)習(xí)計算的高增長階段的早期，這種計算將廣泛影響我們?nèi)盏某Ｉ睢?rdquo; Semico Research公司ASIC和SoC首席市場分析師Rich Wawrzyniak表示：“全新的系列產(chǎn)品是創(chuàng)新性芯片架構(gòu)實現(xiàn)爆發(fā)的一個卓越案例，創(chuàng)造該架構(gòu)的目的是直接面向AI應(yīng)用處理大量的數(shù)據(jù)。”

FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

那么，Speedster7t FPGA究竟解決了哪些瓶頸？

瓶頸一：1+1＞2，如何兼顧FPGA與ASIC的雙重優(yōu)點(diǎn)

如今，為了適應(yīng)當(dāng)前應(yīng)用的高速發(fā)展，大多公司的設(shè)計團(tuán)隊開始選擇全新的方案。眾所周知，ASIC具有高性能、低功耗的優(yōu)勢，但相對來說，其內(nèi)核執(zhí)行外的任何算法都是凍結(jié)的，所以FPGA的高靈活性、高適應(yīng)性相比來說更具優(yōu)勢。那么，有沒有一款產(chǎn)品即具有FPGA的適應(yīng)性，也兼顧ASIC的超高表現(xiàn)力？

FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

Speedster7t FPGA系列產(chǎn)品正是將二者相融合，利用臺積電（TSMC）7nm技術(shù)，構(gòu)建出全新的具有高性能、低功耗、高靈活性、高適應(yīng)性的FPGA+。

瓶頸二：傳統(tǒng)FPGA數(shù)據(jù)傳輸擁塞 vs 縱橫交錯的NOC路由結(jié)構(gòu)

假若將400G內(nèi)容傳送到以太網(wǎng)比作在傳送帶上傳送，影響傳輸?shù)某藗魉蛶俣?，還有盒子的大小。傳輸速度需要足夠快確保來得及裝包，而越大的盒子也會降低效率。傳統(tǒng)FPGA在傳輸400G內(nèi)容時，無論如何調(diào)整傳輸大小和傳輸頻率，也無法達(dá)到以太網(wǎng)的傳輸曲線。所以對于傳統(tǒng)FPGA幾乎無法滿足超高速的傳輸條件。

FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

來自Speedster7t高速I / O和存儲器端口的數(shù)萬兆比特數(shù)據(jù)很容易淹沒傳統(tǒng)FPGA面向比特位的可編程互連邏輯陣列的路由容量，而Speedster7t架構(gòu)包含一個可橫跨和垂直跨越FPGA邏輯陣列的創(chuàng)新性的、高帶寬的二維片上網(wǎng)絡(luò)（NOC），它們連接到所有FPGA的高速數(shù)據(jù)和存儲器接口。

FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

它們就像疊加在FPGA互連這個城市街道系統(tǒng)上的空中高速公路網(wǎng)絡(luò)一樣，Speedster7t的NoC支持片上處理引擎之間所需的高帶寬通信。NoC中的每一行或每一列都可作為兩個256位實現(xiàn)，單向的、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的AXI通道，工作頻率為2Ghz，同時可為每個方向提供512 Gbps的數(shù)據(jù)流量。

FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

通過在Speedster中實現(xiàn)專用二維 NoC，極大地簡化了高速數(shù)據(jù)移動，并確保數(shù)據(jù)流可以輕松地定向到整個FPGA結(jié)構(gòu)中的任何自定義處理引擎。最重要的是，NOC消除了傳統(tǒng)FPGA使用可編程路由和邏輯查找表資源在整個FPGA中移動數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)的擁塞和性能瓶頸。這種高性能網(wǎng)絡(luò)不僅可以提高Speedster7t FPGA的總帶寬容量，還可以在降低功耗的同時提高有效LUT容量。

FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

瓶頸三：傳統(tǒng)DSP式FPGA受限的表現(xiàn)力 vs 計算、存儲、程序三位一體的MLP

傳統(tǒng)FPGA使用DSP模塊有著相對有限的表現(xiàn)力，具體表現(xiàn)在不高效的數(shù)值精度支持、需要消耗額外邏輯和Memory資源、性能受限于FPGA布線。

Speedster7t FPGA搭載全新的機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP），將計算、存儲和程序集于一身，使其支持陣列式乘累積計算架構(gòu)、內(nèi)嵌緩存、可配置以支持演進(jìn)中算法、支持廣泛各種不同整點(diǎn)和浮點(diǎn)格式。大規(guī)模的可編程計算單元平行陣列是其核心，可提供業(yè)界最高的、基于FPGA的計算密度，另外，也具有最高的能效比。

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MLP是高度可配置的、計算密集型的單元模塊，可支持4到24位的整點(diǎn)格式和高效的浮點(diǎn)模式，包括對TensorFlow的16位格式的支持，以及可使每個MLP的計算引擎加倍的增壓塊浮點(diǎn)格式的直接支持。

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MLP與嵌入式存儲器模塊緊密相鄰，通過消除傳統(tǒng)設(shè)計中與FPGA布線相關(guān)的延遲，來確保以750 MHz的最高性能將數(shù)據(jù)傳送到MLP。這種高密度計算和高性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)合使得處理器邏輯陣列能夠提供基于FPGA的最高可用計算能力以每秒萬億次運(yùn)算數(shù)量為單位（TOPS，Tera-Operations Per Second）。

瓶頸四：表現(xiàn)較差的傳統(tǒng)帶寬存儲 vs GDDR6高帶寬存儲

高性能計算和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的關(guān)鍵之處是高片外存儲器帶寬，從而為多個數(shù)據(jù)流提供存儲源和緩沖。 Speedster7t器件是唯一支持GDDR6存儲器的FPGA，該類存儲器是具有最高帶寬的外部存儲器件。每個GDDR6存儲控制器都能夠支持512 Gbps的帶寬，Speedster7t器件中有多達(dá)8個GDDR6控制器，可以支持4 Tbps的GDDR6累加帶寬，并且以很小的成本就可提供與基于HBM的FPGA等效存儲帶寬。

“美光（Micron）樂于攜手Achronix去實現(xiàn)全球第一個面向高帶寬存儲需求而直接加載了GDDR6的FPGA產(chǎn)品，”美光計算與聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)部營銷副總裁Mal Humphrey。“像這樣的創(chuàng)新的和可擴(kuò)展的解決方案將推動人工智能領(lǐng)域內(nèi)的差異化，其中異構(gòu)計算可選方案與高性能的存儲是加速獲得數(shù)據(jù)內(nèi)涵的必需部分。”

FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

瓶頸五： “旗鼓不相當(dāng)”的接口 vs 最高速度的接口

非凡的存儲帶寬需要好的“后衛(wèi)”才能真正發(fā)揮出其性能。Speedster7t器件包括業(yè)界最高性能的接口端口，以支持極高帶寬的數(shù)據(jù)流。

Speedster7t器件擁有多達(dá)72個業(yè)界最高性能的SerDes，可以達(dá)到1到112 Gbps的速度。還有帶有前向糾錯（FEC）的硬件400G以太網(wǎng)MAC，支持4x 100G和8x 50G的配置，以及每個控制器有8個或16個通道的硬件PCI Express Gen5控制器。

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值得期待的FPGA+家族

Speedster7t FPGA器件的大小范圍為從363K至2.6M 的6輸入查找表（LUT），無論是低成本客戶還是高端客戶，均可滿足。而FPGA+如此眾多的優(yōu)點(diǎn)也可“隨意馳騁”在AI、圖像處理、語言處理、Database加速、加密算法、網(wǎng)絡(luò)處理方案上。

FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

據(jù)Achronix表示，支持所有Achronix產(chǎn)品的ACE設(shè)計工具現(xiàn)已可提供，可支持包括Speedcore eFPGA和Speedchip™FPGA多晶粒封裝芯片（Chiplet）。相關(guān)配套軟件將于第三季度面世，更加高級的語言讓設(shè)計開發(fā)更具表現(xiàn)力，第一批用于評估的器件和開發(fā)板也將于2019年第四季度提供。

FPGA難以逾越的瓶頸究竟該如何突破？

關(guān)于Achronix

Achronix Semiconductor是一家私有的、采用無晶圓廠模式的半導(dǎo)體公司，總部位于美國加利福尼亞州圣克拉拉市，公司提供了高性能的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）解決方案。

2013年，隨著其Speedster22i FPGA產(chǎn)品系列開始量產(chǎn)，Achronix提供了業(yè)界最先進(jìn)的、帶有面向高性能有線通信應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)級IP的FPGA產(chǎn)品。Speedster22i系列是第一款專用的FPGA，可支持全新的、創(chuàng)新的和高性能的可編程設(shè)計。

2016年10月，Achronix宣布其Speedcore 嵌入式FPGA（eFPGA） IP產(chǎn)品實現(xiàn)量產(chǎn)供應(yīng)，實現(xiàn)了客戶在自己的SoC中對可編程邏輯的集成。在發(fā)布之時，Achronix已經(jīng)向多家客戶付運(yùn)了Speedcore IP產(chǎn)品；自那時起，出現(xiàn)了對Speedcore IP產(chǎn)品的前所未有的需求。Speedcore IP是專為計算和網(wǎng)絡(luò)加速應(yīng)用而設(shè)計的。

2019年5月，Achronix推出了突破性的Speedster7t FPGA系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品對高帶寬數(shù)據(jù)加速應(yīng)用提供ASIC級性能，并具有FPGA的靈活性。

Achronix的所有產(chǎn)品均由其業(yè)內(nèi)最優(yōu)的ACE設(shè)計工具提供支持，ACE是一個可支持邏輯綜合、布局布線、再加上時序收斂和調(diào)試等功能強(qiáng)大的EDA工具。ACE工具可以免費(fèi)提供用于評估。